escuela politÉcnica del...
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ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO
SEDE LATACUNGA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BRAZO ROBÓTICO A BASE DE UN PIC, PARA TRANSPORTAR OBJETOS ENTRE DOS PUNTOS
FIJOS, E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA HMI PARA SU MONITOREO”
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO DE EJECUCIÓN EN ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN
CÁRDENAS CÁRDENAS LUIS GUILLERMO
Latacunga, diciembre del 2009
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DECLARACIÓN DE AUTORÍA
Las ideas, comentarios y opiniones emitidas en el presente trabajo de investigación y
diseño son de exclusiva responsabilidad del autor.
Este trabajo fue realizado en los talleres de la Escuela Politécnica del Ejército Sede
Latacunga y del Instituto Tecnológico “Ramón Barba Naranjo” por el señor: Luís
Guillermo Cárdenas, por lo que está dispuesto a las sanciones estipuladas en la Ley
de Derechos del Autor en caso de existir trabajos similares.
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LUIS GUILLERMO CÁRDENAS
EL AUTOR
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CERTIFICACIÓN
Ingeniero
FABRICIO PÉREZ
DOCENTE TUTOR DE LA ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO SEDE
LATACUNGA
CERTIFICA
Haber asesorado y revisado en todas sus partes de la tesis titulada “DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DE UN BRAZO ROBÓTICO A BASE DE UN PIC, PARA
TRANSPORTAR OBJETOS ENTRE DOS PUNTOS FIJOS, E IMPLEMENTACIÓN
DE UN SISTEMA HMI PARA SU MONITOREO”, de autoría del señor Luís Guillermo
Cárdenas Cárdenas; por lo que, me permito autorizar su presentación para los
trámites legales pertinentes.
_________________ Ing. Fabricio Pérez
Director de tesis
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CERTIFICACIÓN
Ingeniero
FAUSTO ACUÑA
DOCENTE TUTOR DE LA ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO SEDE
LATACUNGA
CERTIFICA
Haber asesorado y revisado en todas sus partes de la tesis titulada “DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DE UN BRAZO ROBÓTICO A BASE DE UN PIC, PARA
TRANSPORTAR OBJETOS ENTRE DOS PUNTOS FIJOS, E IMPLEMENTACIÓN
DE UN SISTEMA HMI PARA SU MONITOREO”, de autoría del señor Luís Guillermo
Cárdenas Cárdenas; por lo que, me permito autorizar su presentación para los
trámites legales pertinentes.
_________________ Ing. Fausto Acuña
Co-director de tesis
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DEDICATORIA
A mi madre Celia María, por su apoyo incondicional, por preocuparse y encontrarse siempre pendiente y también brindarme sus bendiciones en cada momento de mi vida como su único hijo. A mis hijas Daniela, María, Soraya, Andrea, y Karen Sofía, y a mi hijo Andrés, por darme valor para culminar esta meta que me e trazado. A mis primos por darme apoyo moral y solucionarme alguna necesidad de orden económico que se ha presentado durante esta etapa de mi vida estudiantil. A Carlos Matute y su esposa porque son las personas que me impulsaron para que me educara y me preparara para ser mas libre. A mi esposa Ibeht Magali, por encontrarse presente en los momentos buenos y malos durante el tiempo en que me encontraba estudiado, como también, en la realización de la tesis.
Con mucho amor
Luís Guillermo
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AGRADECIMIENTO
A todas las personas que contribuyeron de alguna manera de forma directa e
indirecta en la elaboración del presente proyecto, deseo expresar mi especial y
sincero agradecimiento por su apoyo incondicional, muchas gracias por haber creído
en mi.
Una mención especial,
Al Ing. FABRICIO PEREZ, Director de Tesis, por su valiosa ayuda y colaboración en
la realización del presente trabajo.
Al Ing. FAUSTO ACUÑA, Co-director de Tesis, por su valiosa ayuda y colaboración
en la realización del presente trabajo.
Al Ing. GALO ÁVILA, Co-Director de Tesis, por su valiosa ayuda y colaboración en la
realización del presente trabajo.
Al Ing. WASHINGTON FREIRE, por la ayuda durante la elaboración de este
proyecto.
Al Ing. ARMANDO ALVAREZ, Decano de la Facultad de Electrónica, por la apertura
en el desarrollo del proyecto.
A todos los profesores de la ESPE sede Latacunga, por el especial recibimiento y la
preocupación que me brindaron en este centro de estudios superiores, durante mis
estudios como también en el desarrollo del presente trabajo.
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ÍNDICE
CAPÍTULO I
GENERALIDADES
1.1 Antecedentes 1
1.2 Objetivos 1
1.2.1 Objetivo general 1
1.2.2 Objetivos específicos 2
1.3 Planteamiento del problema 3
1.4 Justificación 3
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 Introducción 5
2.2 Fundamentos 5
2.2.1 Robótica 6
2.2.1.1 Clasificación de los robots 7
2.2.1.2 Mecánica y morfología de los robots 8
2.2.1.3 Tipos de articulaciones 9
2.2.1.4 Estructuras básicas de los manipuladores 11
2.2.1.5 Coordenadas de los movimientos 12
2.2.1.5.1 Configuración cartesiana 12
2.2.1.5.2 Configuración cilíndrica 13
2.2.1.5.3 Configuración polar 14
2.2.1.5.4 Configuración angular 15
2.2.2 Dinámica 16
2.2.3 Elementos que forman un robot 16
2.2.3.1 Estructura mecánica 17
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2.2.4 Transmisiones y reductores 17
2.2.5 Mecanismos y movimientos 19
2.2.5.1 Transmisión de movimientos 19
2.2.5.2 Ruedas dentadas o engranajes 19
2.2.6 Motores y elementos mecánicos 25
2.2.6.1 Motores paso a paso 26
2.2.6.2 Servomotores 29
2.2.6.2.1 Funcionamiento del servomotor, control por PWM 35
2.2.6.2.2 Circuito Driver de un servomotor 39
2.2.6.3 Comparación servomotores y motores paso a paso 41
2.2.6.4 Sistemas de accionamiento (actuadores) 44
2.2.6.4.1 Tipos de actuadores 46
2.2.6.5 Sistema sensorial 49
2.2.6.6 Elementos terminales 49
2.2.7 Sistemas en lazo cerrado y en lazo abierto 50
2.2.8 Dispositivos electrónicos y microcontroladores PIC 52
2.2.8.1 Resistores y tipos de resistores 52
2.2.8.2 Condensadores 55
2.2.8.3 Transistor BJT 56
2.2.8.3.1 Funcionamiento del transistor 57
2.2.8.3.2 El amplificador Darlington 59
2.2.8.4 Microcontrolador PIC 61
2.2.8.4.1 Ventajas de un microcontrolador 63
2.2.8.5 Fuentes de poder 64
2.2.8.6 Circuito impreso 65
2.2.9 HMI – LabVIEW 68
2.2.9.1 Elementos del LabVIEW 71
2.2.10 Software 78
2.2.10.1 Instrucciones de programación en MicroCode 79
2.2.10.2 Algoritmo y diagramas de flujo 83
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CAPÍTULO III
DISEÑO, SELECCIÓN Y CONSTRUCCIÓN
3.1 Diseño 84
3.1.1 Consideraciones en el diseño mecánico 84
3.1.2 Diseño del diagrama de bloques 85
3.1.2.1 Modelo 85
3.1.2.2 Tamaño 86
3.1.2.3 Material 87
3.1.2.4 Grados de libertad 87
3.1.2.4.1 Campo de acción del brazo robótico 89
3.1.2.5 Motores 90
3.1.2.6 Mecanismos 90
3.1.2.6.1 Diseño y cálculo de la estructura del brazo 91
3.1.2.6.2 Cálculo del peso de la estructura 93
3.1.2.6.3 Cálculo del par de los servomotores 94
3.1.2.7 Materiales de apoyo 96
3.1.2.8 Soporte 96
3.1.2.9 Circuitos de control 97
3.1.2.10 HMI (Human Machine Interface) 97
3.1.2.11 Alimentación 97
3.2 Selección 98
3.2.1 Modelo 98
3.2.2 Tamaño 98
3.2.3 Material 98
3.2.4 Grados de libertad 99
3.2.5 Motores 99
3.2.6 Mecanismos 100
3.2.7 Materiales de apoyo 100
3.2.8 Soporte 101
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3.2.9 Circuitos de control 101
3.2.9.1 Circuitos de control para secuencia automática 101
3.2.9.2 Circuito de control para el motor PAP 102
3.2.9.3 Circuito de interfase para el HMI 102
3.2.9.4 HMI (Human Machine Interface) 102
3.3 Construcción 103
3.3.1 Construcción mecánica y eléctrica 103
3.3.2 Especificaciones de la construcción del brazo robótico 109
3.3.3 Resumen de la construcción del brazo robótico 110
3.3.4 Restricciones del proyecto 112
3.3.5 Elaboración de algoritmos y diagramas de flujo 113
3.3.6 Elaboración de los esquemas eléctricos de las placas 125
3.3.6.1 Diagramas de placas 126
3.3.7 Elaboración del programa del brazo robótico 130
3.3.7.1 Programación de secuencias 130
3.3.7.1.1 Programación del motor paso a paso 130
3.3.7.1.2 Programación SERVO Nº 1 133
3.3.7.1.3 Programación SERVO Nº 2 138
3.3.7.1.4 Programación de los SERVOS Nº 3 y Nº 4 139
3.3.8 HMI del brazo robótico 142
3.3.8.1 Panel frontal del HMI 144
3.3.8.2 Diagrama de bloques del HMI 145
CAPÍTULO IV
PRUEBAS Y RESULTADOS
4.1 Introducción 146
4.1.1 Tiempos de operación de los movimientos 146
4.1.2 Rotación de los ejes del brazo 148
4.1.3 Pruebas eléctricas 149
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CAPÍTULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 Conclusiones 151
5.2 Recomendaciones 152
BIBLIOGRAFÍA 154
ANEXOS 157
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CAPÍTULO I
GENERALIDADES
1.1 ANTECEDENTES
Los docentes del INSTITUTO TECNOLÓGICO “RAMÓN BARBA NARANJO”, de las
especialidades de Electrónica, Electricidad y Electromecánica; plantearon la
necesidad de crear un proyecto que despierte la iniciativa, la creatividad y la
investigación de los estudiantes en el campo de la robótica; con esta idea se buscó
conjugar tanto la tecnología actual y los conocimientos adquiridos durante los años
de estudio en la ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO en la especialidad de
Electromecánica; es por esto que he propuesto diseñar y construir un brazo robótico
programado con un microcontrolador y monitoreado por un software HMI; este
estereotipo de robot estará basado principalmente en la robótica y otras ciencias
afines como la Electrónica, Informática, Electricidad, Mecánica entre otras.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un prototipo de brazo robótico controlado por microcontroladores
PIC, que sea didáctico tanto en sus estructuras de hardware y software, así
como también en su funcionamiento.
- 2 -
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Investigar la teoría básica sobre robótica y establecer la mejor opción para la
construcción del prototipo de brazo robótico.
Diseñar la estructura del conjunto de elementos que conforman el brazo,
utilizando materiales apropiados, de tal manera que sea lo más técnico y
económico posible.
Armar un brazo robótico utilizando motores paso a paso y servomotores,
controlados con microcontroladores PIC’s de la MICROCHIP TECHNOLOGY
Inc.
Determinar la secuencia de movimientos de objetos entre dos puntos
preestablecidos, utilizando el software MicroCode Studio como editor de
programa, el Pic Basic Pro como compilador; y el IC-Prog como grabador.
Desarrollar en LabView, una interfase gráfica para monitorear el trabajo de los
elementos actuadores.
Realizar pruebas de funcionamiento del brazo robótico para establecer
correcciones y realizar ajustes necesarios para garantizar una operación
correcta del brazo.
Aplicar las normas de seguridad industrial en el diseño y construcción del
brazo robótico.
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1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El Instituto Tecnológico “Ramón Barba Naranjo” ofrece a la provincia de Cotopaxi y al
país en general, carreras técnicas y entre ellas las especialidades de Electricidad,
Electrónica y Electromecánica; debido a diversos factores se ha podido detectar las
necesidades existentes en los laboratorios, especialmente en lo referente al
equipamiento necesario para desarrollar las prácticas básicas, que exige la
tecnología moderna, así también se puede indicar que no se dispone de un brazo
robótico dentro de sus laboratorios para el buen aprendizaje tanto teórico como
técnico-práctico en lo referente a la electrónica, electricidad, electromecánica y
ciencias afines tales como: la robótica, informática, mecánica, entre otras; además en
los últimos años el Instituto ha participando en concursos intercolegiales, provinciales
y nacionales de Ciencia y Tecnología, por tal motivo los estudiantes deben
desarrollar sus destrezas, habilidades, capacidades y competencias, en las cuales se
conjugue la iniciativa y la creatividad para llevar a cabo proyectos que puedan
competir con los de otras instituciones similares.
1.4 JUSTIFICACIÓN
Como estudiante de la carrera de ELECTROMECÁNICA de la Escuela Politécnica
del Ejército, encontré la necesidad de plantear un proyecto en donde los estudiantes
del Instituto Tecnológico “Ramón Barba Naranjo” despierten el deseo de realizar
prácticas acorde al avance tecnológico de la actualidad, así como también aplicar los
conocimientos adquiridos a lo largo de mi carrera estudiantil; es por esto que me he
propuesto diseñar y construir el prototipo de un brazo robótico didáctico, y en el cual
se pueda aplicar un sinnúmero de temas de importancia para implementarlo en los
laboratorios del Instituto Tecnológico “Ramón Barba Naranjo”.
Con el diseño y construcción de este brazo robótico, se logrará dejar sentadas las
bases de algunas materias necesarias para que los estudiantes del bachillerato
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salgan a la vida profesional con los suficientes conocimientos que hoy día se han
convertido en pilares del desarrollo tecnológico a nivel mundial, y sobre todo
incursionen en el campo de la investigación, y puedan competir en el mundo laboral
tan exigente que tenemos en la actualidad.
Mediante el diseño y construcción del brazo robótico, se está contribuyendo con un
aporte en los campos científico – tecnológico, los mismos que permitirán además el
equipamiento de los laboratorios de microinformática, programación de PIC´s,
electrónica, mecánica entre otros. Además nos permitirá enfrentarnos a un mercado
tecnológico globalizado y en constante avance.
- 5 -
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 INTRODUCCIÓN
La robótica es una ciencia que a partir de su nacimiento ha venido progresando;
dentro del contexto mundial, es una rama que despierta mucho interés, en muchos
países, su explotación día a día es mayor; hoy en día las máquinas automatizadas
ayudan cada vez más a los seres humanos en procesos de fabricación de nuevos
productos, en el mantenimiento de infraestructuras, en el cuidado de hogares y
empresas, etc. Los robots podrán fabricar nuevas autopistas, construir estructuras de
acero para edificios, limpiar conducciones subterráneas, cortar el césped, entre otras
actividades y dentro de las aplicaciones más destacadas, se puede mencionar en la
utilización en lugares en donde el ser humano tiene mucho riesgo al realizar un
determinado trabajo, como por ejemplo en el manejo de productos tóxicos, soldadura
y mecanizado, la detección y desactivación de minas, o en sitios inaccesibles; así
como también tiene una gran importancia en el campo de la medicina, al posibilitar
crear prótesis para personas con discapacidades de sus extremidades.
Puede que los cambios más espectaculares en los robots del futuro provengan de su
capacidad de razonamiento cada vez mayor.
2.2 FUNDAMENTOS
Un robot es un sistema compuesto por mecanismos que le permiten hacer
movimientos y realizar las tareas para las cuales ha sido diseñado, algunos de ellos
también tienen incluida la posibilidad de ser programables y eventualmente son cada
vez más inteligentes.
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2.2.1 ROBÓTICA
¿QUÉ ES UN ROBOT? Un robot es una máquina controlada por ordenador y
programada para moverse, manipular objetos y realizar trabajos a la vez que
interacciona con su entorno. Su objetivo principal es el de sustituir al ser humano en
tareas repetitivas, difíciles, desagradables e incluso peligrosas de una forma más
segura, rápida y precisa1. Los robots exhiben tres elementos claves según la
definición descrita:
Programabilidad, lo que significa disponer de capacidades computacionales
y de manipulación de símbolos (el robot es un computador).
Capacidad mecánica, que lo capacita para realizar acciones en su entorno y
no ser un mero procesador de datos (el robot es una máquina).
Flexibilidad, puesto que el robot puede operar según un amplio rango de
programas y manipular material de formas distintas.
Con todo, se puede considerar un robot como una máquina complementada con un
computador, con dispositivos de entrada y salida sofisticados. La idea más
ampliamente aceptada de robot está asociada a la existencia de un dispositivo de
control digital que, mediante la ejecución de un programa almacenado en memoria,
va dirigiendo los movimientos de un brazo o sistema mecánico. El cambio de tarea a
realizar se verifica ordenando el cambio de programa.
El brazo robótico que se elaborará en el presente trabajo, tendrá varios elementos
que hay que seleccionar, diseñar e implementar; y que básicamente se
fundamentará en tres ejes principales como son: la mecánica, la electrónica y el
software.
1 Principios básicos de la robótica, Antonio Sánchez, DISA / UPV.
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2.2.1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS ROBOTS
La potencia del software en el controlador determina la utilidad y flexibilidad del robot
dentro de las limitantes del diseño mecánico y la capacidad de los sensores. Los
robots han sido clasificados de acuerdo a su generación, a su nivel de inteligencia, a
su nivel de control, y a su nivel de lenguaje de programación. Estas clasificaciones
reflejan la potencia del software en el controlador, en particular, la sofisticada
interacción de los sensores.
La generación de un robot se determina por el orden histórico de desarrollos en la
robótica. Cinco generaciones son normalmente asignadas a los robots industriales.
La tercera generación es utilizada en la industria, la cuarta se desarrolla en los
laboratorios de investigación, y la quinta generación es un gran sueño.
Robots Play-back, los cuales regeneran una secuencia de instrucciones
grabadas, como un robot utilizado en recubrimiento por spray o soldadura por
arco. Estos robots comúnmente tienen un control de lazo abierto.
Robots controlados por sensores, estos tienen un control en lazo cerrado
de movimientos manipulados, y toman decisiones basadas en datos obtenidos
por sensores.
Robots controlados por visión, donde los robots pueden manipular un
objeto al utilizar información desde un sistema de visión.
Robots controlados adaptablemente, donde los robots pueden
automáticamente reprogramar sus acciones sobre la base de los datos
obtenidos por los sensores. Estos robots comúnmente tienen un control de
lazo cerrado.
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Robots con inteligencia artificial, donde los robots utilizan las técnicas de
inteligencia artificial para tomar sus propias decisiones y resolver problemas.
2.2.1.2 MECÁNICA Y MORFOLOGÍA DE LOS ROBOTS
Dentro de la parte mecánica, se hace referencia al brazo robótico propiamente dicho,
es decir, al elemento que interactuará físicamente con su entorno.
Las características básicas de la estructura de los robots están formadas por los tipos
de articulaciones y configuraciones clásicas de brazos de robots industriales. Los
robots manipuladores son esencialmente, brazos articulados. De forma más precisa,
un manipulador industrial convencional es una cadena cinemática abierta formada
por un conjunto de eslabones o elementos de la cadena interrelacionados mediante
articulaciones o pares cinemáticos como lo esquematiza la figura N°2.1. Las
articulaciones permiten el movimiento relativo entre los sucesivos eslabones.
Figura N°2.1. Cadena cinemática abierta2.
Referente a su estructura un brazo robótico consiste en una secuencia de cuerpos
rígidos, llamados eslabones que se conectan unos a otros mediante articulaciones,
2 Robótica Práctica, Tecnología y Aplicaciones, ANGULO USATEGUI, José Mª. Página # 32
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todos juntos forman una cadena cinemática. Se dice que una cadena cinemática es
abierta si, numerando secuencialmente los enlaces desde el primero, cada enlace
está conectado mediante articulaciones exclusivamente al enlace anterior, y al
siguiente, excepto el primero, que se suele fijar al suelo, y el último, uno de cuyos
extremos queda libre y equipado con una herramienta apropiada para manipular
objetos.
2.2.1.3 TIPOS DE ARTICULACIONES. Existen diferentes tipos de articulaciones. Las
más utilizadas en robótica son las que se indican en la figura N°2.2.
Los movimientos cinemáticos de un brazo robot, pueden clasificarse de acuerdo al
tipo de articulación que usan para determinar su movimiento; y pueden ser:
La articulación de rotación suministra un grado de libertad consistente en una
rotación alrededor del eje de la articulación. Está articulación es, con diferencia, la
más empleada, y la que se utilizará en el presente proyecto.
En la articulación prismática el grado de libertad consiste en una traslación a lo
largo del eje de la articulación.
En la articulación cilíndrica existen dos grados de libertad: una rotación y una
traslación.
La articulación planar está caracterizada por el movimiento de desplazamiento en
un plano, existiendo por lo tanto, dos grados de libertad.
Por último, la articulación esférica combina tres giros en tres direcciones
perpendiculares en el espacio.
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Figura N°2.2. Tipos de articulaciones robóticas3.
3 Robótica Práctica, Tecnología y Aplicaciones, ANGULO USATEGUI, José Mª. Página # 37
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Los grados de libertad (GDL), son el número de parámetros independientes que fijan
la situación o estado del órgano terminal. El número de grados de libertad suele
coincidir con el número de eslabones de la cadena cinemática.
2.2.1.4 ESTRUCTURAS BÁSICAS DE LOS MANIPULADORES
La estructura típica de un manipulador, consiste en un brazo compuesto por
elementos con articulaciones entre ellos. En el último enlace se coloca un órgano
terminal o efector final tal como una pinza o un dispositivo especial para realizar
operaciones, tal como se aprecia en la figura N°2.3
Figura N°2.3. Estructura típica de un manipulador4.
El espacio de trabajo es el conjunto de puntos en los que puede situarse el efector
final del manipulador. Corresponde al volumen encerrado por las superficies que
determinan los puntos a los que accede el manipulador con su estructura totalmente
extendida y totalmente plegada.
4 Robótica Práctica, Tecnología y Aplicaciones, ANGULO USATEGUI, José Mª. Página # 38
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Por otra parte, todos los puntos del espacio de trabajo no tienen la misma
accesibilidad. Los puntos de accesibilidad mínima son los que las superficies que
delimitan el espacio de trabajo ya que a ellos solo puede llegarse con una única
orientación.
2.2.1.5 COORDENADAS DE LOS MOVIMIENTOS
La estructura del manipulador y la relación entre sus elementos proporcionan una
configuración mecánica, que da origen al establecimiento de los parámetros que hay
que conocer para definir la posición y orientación del elemento terminal.
Fundamentalmente existen 4 estructuras clásicas en los manipuladores, que se
relacionan con los correspondientes modelos de coordenadas en el espacio, y son
los que se detallan a continuación5:
2.2.1.5.1 CONFIGURACIÓN CARTESIANA.
La configuración tiene tres articulaciones prismáticas (3D o estructura PPP). Esta
configuración es bastante usual en estructuras industriales, tales como pórticos,
empleadas para el transporte de cargas voluminosas. La especificación de posición
de un punto se efectúa mediante las coordenadas cartesianas zyx ,, .
Los valores que deben tomar las variables articulares corresponden directamente a
las coordenadas que toma el extremo del brazo. Esta configuración no resulta
adecuada para acceder a puntos situados en espacios relativamente cerrados y su
volumen de trabajo es pequeño cuando se compara con el que puede obtenerse con
otras configuraciones. En la figura N°2.4 se aprecia este tipo de articulación.
5 Robótica Práctica, Tecnología y Aplicaciones, ANGULO USATEGUI, José Mª. Páginas 41 y 42.
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Figura N°2.4. Configuración Cartesiana.
2.2.1.5.2 CONFIGURACIÓN CILÍNDRICA.
Esta configuración tiene dos articulaciones prismáticas y una de rotación (2D, 1G),
figura N°2.5. La primera articulación es normalmente de rotación (estructura RPP). La
posición se especifica de forma natural en coordenadas cilíndricas. Esta
configuración puedes ser de interés en una célula flexible, con el robot situado en el
centro de la célula sirviendo a diversas máquinas dispuestas radialmente a su
alrededor. El volumen de trabajo de esta estructura RPP (o de la PRP), suponiendo
un radio de giro de 360 grados y un rango de desplazamiento de L, es el de un toro
de sección cuadrada de radio interior L y radio exterior 2L. Se demuestra que el
volumen resultante es:
33 LV (2.1)
Donde:
V: Volumen de trabajo
L: Desplazamiento o rango de desplazamiento.
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Figura N°2.5.
Configuración Cilíndrica.
2.2.1.5.3 CONFIGURACIÓN POLAR.
Está configuración se caracteriza por dos articulaciones de rotación y una prismática
(2G, 1D o estructura RRP), figura N°2.6. En este caso las variables articulares
expresan la posición del extremo del tercer enlace en coordenadas polares.
En un manipulador con tres enlaces de longitud L, el volumen de trabajo de esta
estructura, suponiendo un radio de giro de 360 grados y un rango de desplazamiento
de L, es el que existe entre una esfera de radio 2L y otra concéntrica de radio L. Por
consiguiente el volumen es:
33/28 LV (2.2)
Figura N°2.6.
Configuración Polar.
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2.2.1.5.4 CONFIGURACIÓN ANGULAR.
Esta configuración es una estructura con tres articulaciones de rotación (3G o RRR).
La posición del extremo final se especifica de forma natural en coordenadas
angulares, (figura N°2.7).
La estructura tiene un mejor acceso a espacios cerrados y es fácil desde el punto de
vista constructivo. Es muy empleada en robots manipuladores industriales,
especialmente en tareas de manipulación que tengan una cierta complejidad.
La configuración angular es la más utilizada en educación y actividades de
investigación y desarrollo. En esta estructura es posible conseguir un gran volumen
de trabajo. Si la longitud de sus tres enlaces es de L, suponiendo un radio de giro de
360 grados, el volumen de trabajo sería el de una esfera de radio 2L, es decir:
33/32 LV (2.3)
Figura N°2.7. Configuración Angular.
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2.2.2 DINÁMICA.
La dinámica es un campo de las ciencias dedicado al estudio de las fuerzas
requeridas para producir el movimiento. Para acelerar un robot desde el reposo y
finalmente desacelerarlo hasta una completa posición de reposo, los actuadores
articulares (motores eléctricos, actuadores hidráulicos y neumáticos), deben aplicar
un conjunto complejo de funciones de par, las mismas que no serán motivo de
análisis y estudio de este proyecto.
Un método para controlar que un robot siga un camino determinado consiste en
calcular estas funciones de par usando las ecuaciones dinámicas del robot. Un
segundo uso de las ecuaciones dinámicas del movimiento es en la simulación.
Reformulando las ecuaciones dinámicas de forma que la aceleración se calcule como
una función del par actuador, es posible simular cómo un robot se movería bajo la
aplicación de un conjunto de pares del actuador.
2.2.3 ELEMENTOS QUE FORMAN UN ROBOT
Un Robot está formado por los siguientes elementos:
Estructura mecánica (eslabones + articulaciones).
Transmisiones, (reductores o accionamiento directo).
Sistema de accionamiento (actuadores: neumáticos hidráulicos o eléctricos).
Sistema sensorial (posición velocidad presencia).
Elementos terminales.
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2.2.3.1 ESTRUCTURA MECÁNICA
Mecánicamente un robot está formado por una serie de elementos o eslabones
unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos
eslabones consecutivos.
Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación
con respecto a la anterior se denomina grado de libertad GDL. El número de GDL
del robot viene dado por la suma de los GDL de cada articulación que lo componen.
Las articulaciones utilizadas son únicamente la prismática y la de rotación, con un
solo GDL cada una.
Para posicionar y orientar un cuerpo en el espacio son necesarios 6 parámetros [3 de
posición + 3 de orientación], es decir 6 GDL; pero en la práctica se utilizan 4 ò 5 GDL
por ser suficientes. Otros casos requieren más de 6 GDL para tener acceso a todos
los puntos. Cuando el número de GDL es mayor que los necesarios, se dice que el
robot es redundante.
2.2.4 TRANSMISIONES Y REDUCTORES
Transmisiones. Las transmisiones son los elementos encargados de transmitir el
movimiento desde los actuadores hasta las articulaciones. Dado que el robot mueve
su extremo con aceleraciones elevadas, es de gran importancia reducir al máximo su
momento de inercia, para ello, los actuadores están lo más cerca posible de la base
del robot, lo que obliga a utilizar sistemas de transmisión que trasladen el movimiento
hasta las articulaciones. También pueden ser utilizadas para convertir movimiento
lineal en circular o viceversa.
Características básicas de un buen sistema de transmisión:
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Tamaño y peso reducidos.
Evitar holguras.
Deben tener gran rendimiento.
No afecte al movimiento que transmite.
Sea capaz de soportar un funcionamiento continuo a un par elevado incluso a
grandes distancias.
Las transmisiones más habituales son las que cuentan con movimiento circular tanto
a la entrada como a la salida. (Engranajes, correas...).
Reductores Son los encargados de adaptar el par y la velocidad de salida del
actuador a los valores adecuados para el movimiento de los elementos del robot. A
los reductores utilizados en robótica se les exigen unas condiciones de
funcionamiento muy restrictivas por las altas prestaciones que se les exigen en
cuanto a precisión y velocidad de posicionamiento.
Características:
Bajo peso y tamaño.
Bajo rozamiento.
Capaces de realizar una reducción elevada de velocidad en un único paso.
Deben minimizar su momento de inercia.
Tienen una velocidad máxima de entrada admisible.
Deben soportar elevados pares puntuales. (Continuos arranques y paradas)
El juego angular debe ser lo menor posible (giro del eje de salida sin que gire
el de entrada).
Alta rigidez torsional (par que hay que aplicar al eje de salida para que
bloqueado el de entrada gire un ángulo unitario).
- 19 -
2.2.5 MECANISMOS Y MOVIMIENTOS
2.2.5.1 TRASMISIÓN DE MOVIMIENTO
Engranaje.- Un engranaje se puede definir como un dispositivo mecánico utilizado
para transmitir un movimiento o una fuerza entregada por el motor hasta las partes
móviles. Con ellos se puede variar las velocidades de los ejes y sus sentidos de giro.
Los engranajes semejan cilindros provistos de dientes, que van interactuando unos
con otros al tiempo que las ruedas giran sobre sus ejes, transmitiéndose así el
movimiento de rotación.
2.2.5.2 RUEDAS DENTADAS O ENGRANAJES
La transmisión por engranajes se utiliza para transmitir un movimiento de rotación de
un eje a otro. Este sistema consta de dos ruedas o cilindros con una serie de
salientes denominados dientes y de huecos que encajan perfectamente en los de
los dientes de la otra rueda, figura N°2.8. Así, la transmisión del movimiento se realiza
por empuje de los dientes que encajan en los dientes de la otra rueda.
Figura N°2.8. Mecanismo de transmisión.
- 20 -
Este tipo de mecanismo es muy utilizado en la industria, máquinas
herramientas, acoples, transporte (automóviles, aviones, etc.) y, en general, en
todo tipo de máquinas.
Uno de los primeros puntos a analizar para la construcción del brazo robot es la
transmisión de movimiento. Este problema se resolvió mediante la utilización de
engranes. El tipo de sistemas de engranes que se utilizó fue principalmente el del
engranajes de dientes rectos, por las múltiples ventajas que presenta este
mecanismo de transmisión.
Figura N°2.9. Engranajes de dientes rectos6.
La transmisión del movimiento se realiza por medio de los dientes, quienes se
empujan sin resbalar.
6 Engranajes Cilíndricos, SÁNCHEZ FRANCISCO, Universitat JAUME, Página # 5 y # 6.
- 21 -
En la transmisión por ruedas dentadas se cumple:
iZ
Z
N
N
D
D
2
1
1
2
2
1 (2.4)
Donde:
D1 es el diámetro de la rueda conductora.
D2 es el diámetro la rueda conducida.
N1 es el número de revoluciones de la rueda conductora.
N2 es el número de revoluciones de la rueda conducida.
Z1 es el número de dientes de la rueda conductora.
Z2 es el número de dientes de la rueda conducida.
La transmisión por ruedas dentadas permite la transmisión de mayores esfuerzos, a la
vez que mantiene la relación de transmisión con mayor precisión.
La rueda de menor número de dientes recibe el nombre de piñón, y la de mayor
número de dientes se denomina rueda.
Al transmitirse el movimiento entre dos ruedas pueden suceder tres cosas: que la
relación de transmisión sea mayor que 1, que sea igual a 1 o que sea menor que 1.
- 22 -
Relación de transmisión > 1
Figura N°2.10. i > 1 Relación de transmisión mayor que la unidad.
Si i > 1, se obtiene un efecto multiplicador de la velocidad angular. La rueda conducida
gira más deprisa que la rueda conductora. Esto ocurre cuando la rueda conductora es
más grande que la rueda conducida (figura N°2.10).
Relación de transmisión = 1
Figura N°2.11. i = 1 Relación de transmisión igual que la unidad.
D1 D2
CONDUCTORA CONDUCIDA
D1 D2
CONDUCTORA CONDUCIDA
- 23 -
Si las dos ruedas tienen el mismo tamaño, i = 1, y no hay variación de velocidad
angular. Solamente se transmite el movimiento de rotación, (figura N°2.11).
Relación de transmisión < 1
Figura N°2.12. i < 1 Relación de transmisión menor que la unidad.
Si i < 1, se obtiene un efecto reductor de la velocidad angular. La rueda conducida gira
más despacio que la rueda conductora. En este caso la rueda conductora es más
pequeña que la rueda conducida, (figura N°2.12).
Cuando dos ruedas dentadas engranan como se muestra en la figura N°2.13, la rueda
conducida gira siempre en sentido contrario al de la conductora. La magnitud de
multiplicación o reducción resulta de la relación de los dientes.
D1 D2
CONDUCTORA CONDUCIDA
- 24 -
Figura N°2.13. Ruedas dentadas.
También resulta fácil comprender lo que ocurre con las ruedas de la figura precedente,
si nos fijamos en el número de dientes que pasan por el punto M, donde engranan.
Cuando la conductora A efectúa una revolución, pasan 24 dientes en sentido
descendente por el punto M, que empujan en igual sentido a 12 dientes de la rueda B,
por lo que ésta habrá de efectuar 2 vueltas completas en sentido antihorario.
En general, cuando dos ruedas engranan, el factor de transmisión es:
(2.5)
Si el factor t(A,B) es una relación alta, t(B,A) será baja; más exactamente:
),(
1),(
ABtABt
(2.6)
CONDUCTORA CONDUCIDA M
A B
RUEDA A (24 dientes)
RUEDA B (12 dientes)
- 25 -
La fórmula que relaciona el movimiento de las dos ruedas dentadas, despejando de
(2.4) es la siguiente:
N1 * Z1 = N2 * Z2 (2.7)
De donde:
N1 es el número de revoluciones de la primera rueda.
Z1 es el número de dientes de la primera rueda.
N2 es el número de revoluciones de la segunda rueda.
Z2 es el número de dientes de la segunda rueda.
2.2.6 MOTORES Y ELEMENTOS MECÁNICOS.
La selección del motor y el diseño mecánico es una parte crítica del diseño de un
sistema de control de movimientos.
Muchas compañías fabricantes de motores ofrecen asistencia para seleccionar el
motor correcto, aunque es útil saber algunas cuestiones básicas acerca de motores
antes de comenzar la búsqueda.
Para seleccionar el motor adecuado, que cumpla con las funciones y características
técnicas que necesitamos, es necesario conocer sobre las ventajas y desventajas
que presentan cada uno de los diferentes actuadores, que tenemos en el mercado.
Los más comunes utilizados en robótica son los motores paso a paso y los
servomotores.
- 26 -
2.2.6.1 MOTORES PASO A PASO7
Los motores de paso son una variante de los motores de corriente directa con
algunas ventajas y otras desventajas; podemos mencionar como desventajas que los
movimientos son discretos y por lo tanto la velocidad, la posición, la aceleración y la
desaceleración son discontinuas.
Entre lo que podemos mencionar como ventajas de los motores de paso tenemos
que los movimientos controlables son muy precisos, existiendo motores que, para
cada secuencia correcta de señales en sus entradas, giran en un ángulo cuyo valor
esta entre 1.8° y 7.5°.
Los motores de paso que encontramos comercialmente tienen 4, 5, 6 o más cables
para conectarse; para los que tienen 4, cada uno de los cables se conectan
directamente a las señales binarias que generalmente se denominan Q’s y en el caso
de los de 5 cables alguno de estos se conecta a tierra (GND). Para determinar cuál
debe ser conectado a GND medimos la resistencia a través de los cables y
determinamos cuál es el valor menor, este valor debe ser el mismo entre el cable que
nos interesa y cada uno de los otros. Si el motor no avanza probamos diferentes
combinaciones de los cables con las señales Q’s. Las secuencias que corresponden
al funcionamiento de los motores de paso pueden tener dos modos de
funcionamiento en donde los modos indican los diferentes sentidos de rotación que
puede tener el motor.
Los motores PAP pueden ser clasificados de acuerdo a su diseño y fabricación, y
pueden ser Unipolares o Bipolares (figura N°2.14)
7 Tutorial de Motores, Luis Rueda, http://perso.wanadoo.es, páginas # 13 y # 14.
- 27 -
Figura N°2.14. Tipos de motores PAP.
Los motores paso a paso también pueden ser de tres tipos:
De imanes permanentes.- poseen una polarización magnética
constante. El rotor gira para orientar sus polos respecto al estator.
De reluctancia variable.- el rotor está formado por un material
ferromagnético que tiende a orientarse con el campo generado por el
estator.
Híbridos.- combinan los dos anteriores.
La señal de control son los trenes de pulsos que van actuando rotativamente sobre
una serie de electroimanes dispuestos en el estator, por cada pulso recibido el rotor
del motor gira un número determinado de grados.
Para conseguir el giro del motor un número determinado de grados, las bobinas del
estator deben ser excitadas secuencialmente a una frecuencia que determina la
velocidad de giro.
Ventajas:
Funcionamiento simple y exacto.
Pueden girar de forma continua y velocidad variable.
Ligeros fiables y fáciles de controlar.
- 28 -
Desventajas:
El funcionamiento a bajas revoluciones no es suave.
Sobrecalentamiento a velocidades elevadas.
Potencia nominal baja.
Motores de corriente alterna Presentan una mayor dificultad de control que los
motores DC. Sin embargo las mejoras introducidas en las máquinas síncronas hacen
que se presenten como un claro competidor del los DC debido a:
o No tienen escobillas.
o Usan convertidores estáticos que permiten variar la frecuencia con
facilidad y precisión.
o Emplean microelectrónica que permite una gran capacidad de control.
El inductor se sitúa en el rotor y está constituido por imanes permanentes, mientras
que el inducido, situado en el estator, está formado por tres devanados iguales
desfasados 120º eléctricos, y se alimenta de tensión trifásica.
La velocidad de giro depende de la frecuencia de la tensión que alimenta el inducido,
ésta frecuencia se controla a través de un convertidor de frecuencia.
Dispone de unos sensores de posición para evitar la pérdida de sincronismo,
manteniendo en todo momento el ángulo entre rotor y estator (autopilotados).
Ventajas sobre los DC:
No presentan problemas de mantenimiento por no tener escobillas.
Tienen una gran evacuación del calor por estar el bobinado pegado a la
carcasa desarrollan potencias mayores.
Desventajas:
Presentan una mayor dificultad de control que los motores DC.
- 29 -
2.2.6.2 SERVOMOTORES8
Un servomotor es un dispositivo pequeño que trabaja con corriente continua y tiene
un eje de rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares
específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista
en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando
la señala codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia. En la
práctica, se usan servomotores para posicionar superficies de control como el
movimiento de palancas, levas, ejes, pequeños ascensores y timones. Ellos también
se usan en radio control, y por supuesto, en robots.
Descripción técnica. Para mover el brazo robótico se necesitan unos motores con
control de posición, es decir que el eje se pueda situar en el ángulo que se desee.
Además no es necesario que sean de revolución continua, con un giro de 180 grados
es suficiente. Un tipo de motores que cumplen las características anteriores son los
servomotores, que se utilizan bastante en aplicaciones de robótica, micro robótica, de
aeromodelismo para mover los alerones, subir y bajar trenes de aterrizaje, orientar
hélices, acelerar o decelerar motores y un sinfín de aplicaciones más. Entre todos los
modelos que existen en el mercado, sobresale una marca por su calidad, fácil
manejo, versatilidad, características técnicas, etc.; son los servomotores HITEC.
Dentro de la familia hay muchos tipos con diferentes prestaciones, mayor o menor
tamaño, velocidad o fuerza, pero todos ellos se controlan de la misma forma, control
por modulación de pulsos (Pulse Width Modulation PWM).
La conexión al exterior se realiza a través de tres cables, uno para la masa (cable
negro), otro para la tensión de alimentación de 6v (cable rojo) y el último lleva la
señal de control de movimiento (cable blanco).
8 www.superrobotica.com
- 30 -
El servomotor internamente realiza un control de posición en lazo cerrado, para lo
que utiliza un potenciómetro y un circuito de control interno.
La señal que espera recibir dicho circuito es un tren de pulsos, estos pulsos se
repetirán con un periodo de 20 ms. La anchura de los pulsos indicará en qué posición
se deberá quedar el eje. El centro se corresponde con una anchura de 1.3 ms, los
extremos con anchuras de 0,3 ms. y de 2,3 ms.
Estos servos de posición son muy útiles para realizar accesorios de robots, como son
los manipuladores, pinzas, brazos, en resumen todo aquello en donde el rango de
movimiento no necesite revolución continua. En aplicaciones de movimiento continuo
habrá que desmontar el servomotor para configurarlo como un simple motor de
corriente continua con caja reductora incorporada.
Los servos son un tipo especial de motor de corriente continua (C.C.) que se
caracterizan por su capacidad para posicionarse de forma inmediata en cualquier
posición dentro de su intervalo de operación. Para ello, el servomotor espera un tren
de pulsos que se corresponde con el movimiento a realizar. Están generalmente
formados por un amplificador, un motor, un sistema reductor formado por ruedas
dentadas y un circuito de realimentación, todo en una misma caja de pequeñas
dimensiones.
El resultado es un servo de posición con un margen de operación de 180°
aproximadamente. En la figura N°2.15 se presenta la estructura general de un
servomotor.
- 31 -
Figura N°2.15. Servomotor.
Figura N°2.16. Estructura interna de un servomotor.
- 32 -
En la figura Nº 2.16 se puede apreciar la parte interna de un servomotor. Se dice que
el servo es un dispositivo con un eje de rendimiento controlado ya que puede ser
llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de
que exista una señal codificada en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición
angular del engranaje. Cuando la señal codificada cambia, la posición angular de los
piñones cambia. En la práctica, se usan servos para posicionar elementos de control
como palancas, pequeños ascensores y timones. También se usan en radio-control,
y, por supuesto, en robots. Los servomotores son sumamente útiles en robótica.
Los motores son pequeños. Un motor como el indicado en las figuras anteriores,
posee internamente un circuito de control que lo hace sumamente potente para su
tamaño.
Un servo normal o estándar como el HS-645MG de HITEC proporciona un par de 7.7
Kg/cm a 4.8 V, lo cual es muy grande en comparación de su tamaño, sin consumir
mucha energía. La corriente que requiere depende del tamaño del servomotor.
Normalmente el fabricante indica cual es la corriente que consume. Eso no significa
mucho si todos los servos van a estar moviéndose todo el tiempo. La corriente
depende principalmente del par, y puede exceder un amperio si el servo está
enclavado.
Composición de un servomotor. En la figura Nº 2.17 se muestra de manera más
detallada la composición interna de un servomotor. Se puede observar el motor, el
circuito de control, las partes internas del servo (figura Nº 2.18), un juego de piñones
(figura Nº 2.19), y la caja. También se pueden ver los 3 cables de conexión externa:
uno (rojo) es para alimentación, Vcc (~ +5volts);
otro (negro) para conexión a tierra (GND);
el último (blanco o amarillo) es la línea de control por la que se le envía la
señal codificada para comunicar el ángulo en el que se debe posicionar.
- 33 -
Figura Nº 2.17. Estructura interna de un servomotor.
Figura Nº 2.18. Partes internas de un servomotor.
- 34 -
Figura Nº 2.19. Detalle del tren de engranajes.
Figura Nº 2.20. Detalle del circuito de realimentación.
- 35 -
El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro conectado al
eje central del motor, como se aprecia en la figura Nº 2.20. Este potenciómetro
permite al circuito de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el eje
está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito supervisa
que el ángulo no es correcto, el motor volverá a la dirección correcta, hasta llegar al
ángulo que es correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180º.
Normalmente, en algunos llega a los 210º, pero varía según el fabricante.
Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0º y 180º. Un
servo normal no es mecánicamente capaz de retornar a su lugar, si hay un mayor
peso que el sugerido por las especificaciones del fabricante.
El voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste necesita viajar.
Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresará a toda
velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad, el motor girará a
menor velocidad. A esto se le denomina control proporcional.
2.2.6.2.1 FUNCIONAMIENTO DEL SERVOMOTOR, CONTROL POR
MODULACIÓN DE ANCHO DE PULSO (PWM)
La modulación por anchura de pulso, PWM (Pulse Width Modulation), es una de los
sistemas más empleados para el control de servos. Este sistema consiste en generar
una onda cuadrada en la que se varía el tiempo que el pulso está a nivel alto,
manteniendo el mismo período (normalmente), con el objetivo de modificar la
posición del servo según se desee, tal como se aprecia en la figura Nº 2.21.
Para la generación de una onda PWM en un microcontrolador, lo más habitual es
usar un timer y un comparador (interrupciones asociadas), de modo que el
microcontrolador quede libre para realizar otras tareas, y la generación de la señal
sea automática y más efectiva. El mecanismo consiste en programar el timer con el
- 36 -
ancho del pulso (el período de la señal) y al comparador con el valor de duración del
pulso a nivel alto.
Cuando se produce una interrupción de overflow del timer, la subrutina de
interrupción debe poner la señal PWM a nivel alto y cuando se produzca la
interrupción del comparador, ésta debe poner la señal PWM a nivel bajo. En la
actualidad, muchos microcontroladores disponen del hardware específico para
realizar esta tarea, eso sí, consumiendo los recursos antes mencionados (timer y
comparador).
Figura Nº 2.21. PWM para recorrer todo el rango de operación del servo.
El sistema de control de un servo se limita a indicar en que posición se debe situar.
Esto se lleva a cabo mediante una serie de pulsos tal que la duración del pulso indica
el ángulo de giro del motor. Cada servo tiene sus márgenes de operación, que se
corresponden con el ancho del pulso máximo y mínimo que el servo entiende. Los
valores más generales se corresponden con pulsos de entre 1 ms y 2 ms de anchura,
que dejarían al motor en ambos extremos (0º y 180º). El valor 1.5 ms indica la
posición central o neutra (90º), mientras que otros valores del pulso lo dejan en
posiciones intermedias (figura Nº 2.22). Estos valores suelen ser los recomendados,
sin embargo, es posible emplear pulsos menores de 1 ms o mayores de 2 ms,
pudiéndose conseguir ángulos mayores de 180°. Si se sobrepasan los límites de
- 37 -
movimiento del servo, éste comenzará a emitir un zumbido, indicando que se debe
cambiar la longitud del pulso.
Figura Nº 2.22. Tren de pulsos para control del servo.
El factor limitante es el tope del potenciómetro y los límites mecánicos constructivos.
El período entre pulso y pulso (tiempo de OFF) no es crítico, e incluso puede ser
distinto entre uno y otro pulso. Se suelen emplear valores ~ 20 ms (entre 10 ms y 30
ms). Si el intervalo entre pulso y pulso es inferior al mínimo, puede interferir con la
temporización interna del servo, causando un zumbido, y la vibración del eje de
salida. Si es mayor que el máximo, entonces el servo pasará a estado dormido entre
pulsos. Esto provoca que se mueva con intervalos pequeños.
Es importante destacar que para que un servo se mantenga en la misma posición
durante un cierto tiempo, es necesario enviarle continuamente el pulso
correspondiente. De este modo, si existe alguna fuerza que le obligue a abandonar
esta posición, intentará resistirse. Si se deja de enviar pulsos (o el intervalo entre
pulsos es mayor que el máximo) entonces el servo perderá fuerza y dejará de
- 38 -
intentar mantener su posición, de modo que cualquier fuerza externa podría
desplazarlo.
Otra posibilidad de controlar los pulsos se presenta en la figura Nº2.23.
Figura Nº 2.23. Otra posibilidad de pulsos de control.
Consideraciones para efectuar el control de los servomotores:
Para que el control pueda efectuarse más allá de los 180° y menos de los
360°, lo que normalmente se hace es quitar el tope mecánico que llevan los
mecanismos reductores en alguna piñón, rueda dentada o corona y cambiar el
potenciómetro (este tope actúa como sensor para indicar la posición en la que
está el motor) por un par de resistencias fijas para "engañar" a la electrónica
haciéndole ver que no ha alcanzado aún la posición deseada, con lo que el
motor, siguiendo esa consigna, gira y gira intentando llegar a la posición, que
no se da cuenta que alcanza. En algunos casos, los servomotores tienen el
circuito de control interno que está preparado de tal manera que cuando se
- 39 -
determina llegar a una posición cercana a la fijada, la velocidad es baja. Por el
contrario, si se indica una posición que queda lejos de la actual, lo hace más
rápidamente.
Otra de las grandes utilidades del PWM es la de gestionar la velocidad de
cualquier tipo de motor, sin ningún tipo de electrónica, (salvo para la etapa de
potencia, que se puede utilizar algún transistor MOSFET de potencia, como el
BUK10 ó el BUK11, con los que podemos controlar poniendo la salida del
micro, directamente a la puerta del MOSFET. Ambos TRT gestionan más de
20 Amperios, con unas resistencias de canal de 0.03. Para mejorar el
rendimiento se coloca una resistencia entre el surtidor y la puerta de 1K, para
descargar la carga parásita). El principio es el siguiente, si tu alimentas un
motor con una señal de pulsos de suficiente frecuencia, el motor no nota las
variaciones (actúa como un filtro) y saca un giro constante. La gracia, es que
variando el % de tiempo de la señal rectangular en alta, y en baja, variamos la
potencia que le entregamos al motor, con lo que controlamos la velocidad de
giro con mucha precisión. Nota: Si el micro lo permite, a mayor frecuencia de
PWM, mejor rendimiento tiene el motor.
2.2.6.2.2 CIRCUITO DRIVER DE UN SERVOMOTOR PARA VERIFICAR SU
FUNCIONAMIENTO.
A continuación se proporciona una de las versiones que se puede usar para verificar
el funcionamiento de un servomotor.
Puede usarse para jugar con servos, para verificar que funcionan, o para conectarle
servos a un Robot. Lo primero para este montaje es encontrar los pulsos requeridos
con un osciloscopio para programarlo en un microcontrolador.
- 40 -
Figura Nº 2.24. Driver de un servomotor con el CI LM555
En la figura Nº 2.24 se muestra el circuito para probar un servomotor; en el que se
usa un integrado “Timer” 555. El nombre usual es NE555 o LM555; a veces también
es listado como 7555. Este circuito se encuentra en las hojas de datos técnicos de
los manuales ECG, Motorola y otros, con los valores de resistencias y
condensadores calculados con las fórmulas precisas. La única diferencia es la
presencia del potenciómetro P1, que cambia el tiempo de modulación del ancho del
pulso, cuando éste gira.
La señal de salida del 555 (pin3) tiene polaridad opuesta. Para invertirla, es
necesario el transistor. Éste se conecta en configuración “colector común” y se usa
en modo de saturación. Se podría usar cualquier transistor NPN de baja señal para
trabajar sin problemas (por ejemplo, un C1959Y).
- 41 -
2.2.6.3 COMPARACIÓN SERVOMOTORES Y MOTORES PAP9
Caída de torque a altas velocidades del motor a paso. El motor a paso
tiene un problema de sincronización a velocidades elevadas. El torque de
salida disminuye debido a la frecuencia de conmutación de las fases del
motor, pues a alta frecuencia no se alcanza a energizar totalmente las bobinas
del motor y por ende se pierde torque efectivo. Velocidades más altas son
alcanzables con un servomotor DC o AC.
Curva de torque constante del servomotor. Los servomotores presentan
una curva de torque contra velocidad donde el torque de salida se conserva
constante al aumentar la velocidad.
Rango de potencias. El rango de potencia de los motores a paso no es tan
amplio como el de los servomotores, esto se debe a que los motores a paso
de gran tamaño dejan de ser prácticos y su construcción se complica. El motor
a paso más grande puede ser de 10Nm mientras el servo mas grande puede
llegar a los 800Nm.
Factor de potencia. Un motor a paso tiene un factor de potencia mas bajo
que los servos. Es decir, con la misma cantidad de energía eléctrica el servo
puede generar torques mucho mas elevados.
Ruido acústico. El motor a paso tiene un ruido acústico característico
mientras que la operación del servomotor es muy silenciosa.
Torque pico servomotores. El servomotor puede entregar hasta un 300% de
su torque nominal en situaciones donde se requiera una alta aceleración o una
corrección inmediata de posición ante una perturbación, mientras que el motor
a paso pierde el paso al encontrar un torque de oposición mayor.
- 42 -
Sencillez electrónica. Las etapas electrónicas del motor a paso son más
sencillas que las del servomotor.
Bajo costo motor a paso. La principal ventaja del motor a paso es el bajo
costo. Esto lo hace ideal para emplearlo en aplicaciones de baja velocidad y
alto torque, y de presupuestos reducidos. El motor a paso puede posicionar
muy precisamente entonces a bajas velocidades.
Lazo de control. El motor a paso es de lazo de control abierto. Algunos
motores a paso tienen encoders acoplados a sus ejes de salida, pero éste no
cierra el lazo de control sino que se usa para saber la posición del eje de
salida. Es decir la señal de comando del motor no se ve afectada por la
información del encoder, lo cual si sucede en los servomotores AC.
Básicamente el control no sabe donde esta el eje del motor a paso, por lo
tanto no puede corregir errores. El control de motor a paso comanda un
movimiento y espera a que este se cumpla, pero no puede tomar acciones
correctivas para asegurar precisión.
Resolución/precisión. Nuestros sistemas de motor a paso alcanzan una
resolución en el eje de salida de 51200 micro pasos por revolución. Es decir
360°/51200 = 0.00703125°. En los sistemas servo hasta: 360°/131072 =
0.00274°. La precisión entonces del servo es casi cuatro veces mayor.
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En la tabla Nº 2.1 se resumen las ventajas y desventajas de usar motores PAP y
Servomotores, la misma que es de mucha ayuda para iniciar la selección de los
actuadores (motores).
TIPO DE MOTOR PROS CONTRAS APLICACIONES
Paso a paso
Baratos, pueden funcionar
en lazo abierto, buen
torque inicial, ambientes
limpios
Ruidosos y resonantes,
bajo torque a alta
velocidad, no sirve para
ambientes calientes, ni
cargas variables
Posicionamiento, micro
movimiento
Servos CC con escobillas
Baratos, velocidad
moderada, buen torque
final, manejadores
simples
Requiere mantenimiento,
no necesita ambientes
limpios, las chispas en las
escobillas causan EMI y
peligro en ambientes
explosivos
Control de velocidad,
control de posición de alta
velocidad
Servos CC sin escobillas
Libres de mantenimiento,
larga vida útil, sin chispas,
altas velocidades,
ambientes limpios,
silenciosos, trabajan bien
Caros y con manejadores
complicados
Robótica, sujetar y
colocar, aplicaciones de
gran torque
Tabla 2.1. Ventajas y desventajas de motores paso a paso y servomotores.
Luego de determinar que tecnología se desea utilizar, es necesario determinar el
torque y la inercia del eje del motor.
Algo más para considerar cuando se selecciona el motor y otros mecanismos es si el
actuador es comercial, así como si la transmisión podría funcionar en su aplicación.
Las transmisiones ofrecen potencia de transmisión para obtener movimientos
rotatorios o lineales útiles sin que el usuario deba diseñarlas.
- 44 -
2.2.6.4 SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO (ACTUADORES)
ACTUADORES.- Generan el movimiento de los elementos del robot según las
órdenes dadas por la unidad de control.
Accionamiento Directo.- En el accionamiento directo el eje del actuador se conecta
directamente a la articulación, sin utilización de reductores intermedios, ya que éstos
introducen defectos negativos como juego angular, rozamiento... que impiden
alcanzar la precisión y velocidad requeridos.
Ventajas:
Posicionamiento rápido y preciso pues evitan los rozamientos de
transmisiones y reductores.
Mayor control del sistema a costa de una mayor complejidad.
Simplifican el sistema mecánico al eliminarse el reductor.
Desventajas:
Tipo de motor a emplear ya que necesitamos un par elevado a bajas
revoluciones manteniendo la mayor rigidez posible, que encarecen el sistema.
Accionamiento del sistema mecánico.
El accionamiento del sistema de un robot es el elemento motor. Existen tres tipos de
accionamientos, cada uno de ellos asociado a diferentes formas de energía y
tecnología: neumático, hidráulico y eléctrico.
El accionamiento neumático utiliza aire comprimido a presión inferior a 10 bares
para accionar generalmente cilindros neumáticos lineales. El peso reducido de estos
dispositivos y la flexibilidad de los conductos de alimentación del aire, los hace
adecuados, en principio, para actuar sobre articulaciones prismáticas. Sin embargo,
- 45 -
debido a la compresión del aire, es difícil controlar el posicionamiento en puntos
intermedios de los cilindros, utilizándose solamente en movimientos de carrera fija.
Esto, junto con las fricciones en las partes móviles, oxidación de los elementos de
control y un gran nivel de sonoridad, hace que su empleo sea escaso como
accionamiento directo de las articulaciones. No obstante, es ampliamente utilizado en
los elementos finales.
El accionamiento hidráulico utiliza líquidos, que suelen ser aceites, a presión
inferior de 100 bares. (Lo que permite el uso de conductos flexibles) que accionan
motores hidráulicos. Este tipo de accionamiento es el que tiene la mejor relación par
en la articulación / peso el accionamiento, característica de gran importancia en
robótica. Ello hace que los robots con este accionamiento sean capaces de
transportar elevadas cargas. La regulación de la posición con accionamiento
hidráulico es más exacta que con el accionamiento neumático pero, en la mayoría de
los casos, no lo suficiente, ya que presenta como desventaja del mismo: la necesidad
de un filtro de aceite, la necesidad de eliminar el aire, transmisión del aceite a las
partes móviles y un elevado tiempo de mantenimiento, además del costo que esto
implica.
El accionamiento eléctrico es el que se utiliza en la inmensa mayoría de los robots
manipuladores actuales. Su gran ventaja, en comparación con los demás
accionamientos, es que permite una precisa y fácil regulación de la posición, a través
de servomecanismos.
Los motores que se usan son de dos tipos: paso a paso y de corriente continua
(servomotores). Los primeros son utilizados en movimientos en los cuales no se
requieren grandes esfuerzos ni grandes precisiones de posicionamiento. Los motores
de corriente continua más usados son los denominados de baja inercia, en los cuales
el rotor es un ligero disco y su estator esta formado por imanes permanentes que
permiten conseguir una buena relación entre peso e inducción, manteniéndose ésta
- 46 -
al variar la temperatura. Estos motores son muy sensibles a las sobre intensidades,
por lo que requieren múltiples protecciones. Como su velocidad nominal es,
generalmente, del orden de 3000 RPM, se necesitan mecanismos reductores para
poder mover las articulaciones a velocidades mucho más bajas. Estos mecanismos
reductores suelen ser de diseño especial, de material deformable, que transmiten un
elevado par.
2.2.6.4.1 TIPOS DE ACTUADORES
Actuadores Neumáticos. La fuente de energía es aire a presión.
De cilindros neumáticos.-
Tipos:
o De simple efecto.- se consigue el desplazamiento en un solo sentido,
como consecuencia del empuje del aire a presión, mientras que en el
otro sentido se desplaza por el efecto de un muelle recuperador.
o De doble efecto.- El aire empuja al émbolo en las dos direcciones,
persiguiendo un posicionamiento en los extremos del mismo, y no un
posicionamiento continuo (esto puede conseguirse mediante una
válvula de distribución).
De motores neumáticos.- Se consigue el movimiento de rotación de un eje
mediante aire a presión.
Tipos:
o De aletas rotativas.- son aletas de longitud variable, que al entrar el aire
en uno de los dos compartimentos tienden a girar en el sentido del que
tenga mayor volumen.
- 47 -
o De pistones axiales.- tienen un eje de giro solidario a un tambor que se
ve obligado a girar por las fuerzas que ejercen varios cilindros apoyados
sobre un plano inclinado.
Actuadores Hidráulicos. Se utilizan aceites minerales a presión. Son muy similares
a los neumáticos.
Tipos:
o Cilindro.
o Aletas.
o Pistones.
Ventajas:
Se obtiene una mayor precisión que en los neumáticos.
Es más fácil realizar un control continuo.
Permiten desarrollar elevadas fuerzas.
Presentan estabilidad frente a cargas estáticas.
Son autolubricantes.
Desventajas:
Las elevadas presiones propician fugas de aceite.
Necesitan instalaciones más complicadas que los neumáticos y eléctricos.
Actuadores Eléctricos. Los motores de corriente continua son los más utilizados
debido a su facilidad de control. Se componen de dos devanados internos:
Inductor.- situado en el estator, es el encargado de crear un campo magnético
de excitación.
- 48 -
Inducido.- situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la corriente que
circula por él y del campo magnético de excitación. Recibe corriente del
exterior a través del colector de delgas.
Para poder transformar la energía eléctrica en mecánica de forma continua es
necesario que los campos magnéticos del estator y el rotor permanezcan estáticos
entre sí (campos en cuadratura).
Tipos:
o Controlado por inducido.- al aumentar la tensión del inducido se
aumenta la velocidad de la máquina, permaneciendo la intensidad del
inductor constante.
o Controlado por excitación.- tensión de la inducida constante variando
corriente de excitación. Es menos estable.
Para mejorar el comportamiento de este tipo de motores, el campo de excitación se
genera mediante imanes permanentes que evitan fluctuaciones del mismo,
aumentando los problemas de calentamiento por sobrecarga.
Los motores DC son controlados mediante referencias de velocidad generadas por
una unidad de control y electrónica específica.
Presentan el inconveniente del mantenimiento de escobillas, para evitarlo se han
desarrollado unos motores sin escobillas denominados “brushless”.
- 49 -
2.2.6.5 SISTEMA SENSORIAL
Para conseguir que un robot realice su tarea con precisión, velocidad e inteligencia,
es necesario que disponga de información de su estado (sensores internos) y del
estado de su entorno (sensores externos).
Dentro del sistema sensorial, tenemos:
Sensores de posición.
Codificadores angulares de posición (encoders)
Codificadores ópticos o encoders incrementales
Codificadores o encoders absolutos
Captadores angulares de posición (sincro-resolvers)
Sensores lineales de posición (LVDT e Inductosyn)
Sensores de velocidad
Sensores de presencia
2.2.6.6 ELEMENTOS TERMINALES
Son los encargados de interaccionar directamente con el entorno del robot. Pueden
ser tanto elementos de aprehensión como herramientas, en muchos casos diseñadas
para cada tipo de trabajo.
El accionamiento neumático es el más utilizado por ofrecer ventajas en simplicidad
aunque presentan dificultades en posicionamientos intermedios.
- 50 -
2.2.7 SISTEMAS EN LAZO CERRADO Y EN LAZO ABIERTO
Existen dos tipos básicos de sistemas de control: en lazo abierto y en lazo cerrado.
La diferencia entre los dos sistemas se explicará indicando como ejemplo el caso del
brazo robótico y sus componentes, como tema de este trabajo.
Considere un servomotor que cuenta con un sistema de control PWM (Pulse Wide
Modulation), el sistema de control de un servo se limita a indicar en que posición se
debe situar, esto se lleva a cabo mediante una serie de pulsos tal que la duración del
pulso indica el ángulo de giro del servomotor y nada más. Se pueden producir
cambios en las condiciones antes, durante o después del proceso o movimiento del
servomotor, sin que exista una retroalimentación de la información del estado o
ubicación del mismo (figura N°2.25); este es un ejemplo de control de lazo abierto, ya
que no hay forma de ajustarlo y mantenerlo en una posición determinada como punto
fijo en el espacio.
Entrada Proceso Salida
Energía Eléctrica Mecanismos Posición
Figura N°2.25. Sistema Lazo Abierto.
Los sistemas de lazo abierto tienen la ventaja de ser relativamente sencillos, por lo
que su costo es bajo y en general su confiabilidad es buena. Sin embargo, con
frecuencia son imprecisos ya que no hay corrección de errores.
Este sistema se puede convertir en un sistema de lazo cerrado, si implementamos en
el proceso, algún elemento que nos indique en forma determinante su ubicación en el
espacio y que este dispositivo envíe la información exacta de la posición hacia una
CIRCUITO DE
CONTROL
SERVOMOTOR
- 51 -
tarjeta de adquisición de datos que forme parte del circuito de control (figura N°2.26),
para que dependiendo de la diferencia de la posición real y la deseada, exista una
retroalimentación en el lazo y la entrada del sistema se ajuste la salida del mismo.
Entrada + Proceso Salida
Energía Eléctrica Mecanismos Posición
-
Retroalimentación
Figura N°2.26. Sistema Lazo Cerrado.
Los sistemas de lazo cerrado tienen la ventaja de ser bastante precisos para igualar
el valor real y el deseado. Pero son más complejos y, por lo tanto, más costosos y
con mayor probabilidad de averías debido a la mayor cantidad de componentes.
En un sistema de control en lazo abierto, la salida del sistema no tiene efecto en la
señal de entrada. En un sistema de control en lazo cerrado, la salida sí tiene efecto
en la señal de entrada, modificándola para mantener la señal de salida en el valor
requerido.
2.2.8 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS Y MICROCONTROLADORES PIC
En este punto se trata en detalle la unidad de control y todas las funciones que debe
realizar, es el hardware necesario, para poder tener un control exacto del brazo
robótico. Consta de: resistores, condensadores, transistores, microcontroladores,
relés, fuentes de C.C.
CIRCUITO DE
CONTROL
SERVOMOTOR
SENSOR / ENCODER
- 52 -
2.2.8.1 RESISTORES Y TIPOS DE RESISTORES
Los resistores fijos. Los resistores se hacen en muchas formas, pero todos
pertenecen a uno de dos grupos: fijos o variables. El más común de los resistores de
tipo fijo con bajo vatiaje es el resistor de composición de carbono moldeado. La
construcción básica aparece en la figura N°2.27.
Figura N°2.27. Resistor de composición fija10
.
Los tamaños relativos de todos los resistores fijos y variables cambian con el rango
de vatiaje (potencia eléctrica), y aumenta en tamaño para mayores rangos de vatiaje
con el fin de soportar las corrientes más altas y las pérdidas por disipación. Los
tamaños relativos de los resistores de composición moldeada para diferentes rangos
de vatiaje aparecen en la figura N°2.28. Los resistores de este tipo se adquieren con
facilidad en valores que van de 2.7 ohmios a 22 MΏ.
10 www.electronicaestudio.com
- 53 -
Figura N°2.28. Tamaños reales de los resistores de composición fija de diferentes rangos de potencia10
.
Los resistores variables. Como implica su nombre, tienen una resistencia Terminal
que se modifica girando un control, una perilla, un tornillo o lo que resulte
conveniente para la aplicación. Pueden tener dos o tres terminales, aunque lo más
frecuente son tres. Si el dispositivo de dos o tres terminales se usa como un resistor
variable, por lo general se conoce como reóstato. Si el dispositivo de tres terminales
se usa para controlar niveles de voltaje, se denomina potenciómetro. Aunque un
dispositivo de tres terminales puede usarse como un reóstato o un potenciómetro
(dependiendo de cómo se conecte) por lo general se denomina potenciómetro
cuando se lista en los catálogos de venta o se solicita para una aplicación particular.
El símbolo para el potenciómetro de tres terminales aparece en la figura (a). Cuando
se usa como un resistor variable (o reóstato) puede colocarse en una de dos formas,
como se aprecia en las figuras (b) y (c). En la figura (b) los puntos a y b están
conectados al circuito y el terminal restante queda libre. La resistencia introducida se
determina mediante la parte del elemento resistivo entre los puntos a y b. En la figura
(c) la resistencia está otra vez entre los puntos a y b, pero ahora la resistencia
restante está “atenuada” (se eliminó el efecto) por la conexión de b a c. El símbolo
universalmente aceptado para un reóstato aparece en la figura (d).
- 54 -
Figura N°2.29. Símbolos de resistores variables: a) reóstato, b) terminal restante queda libre, c) resistencia
atenuada, d) símbolo universal del reóstato.
La mayoría de los potenciómetros tiene tres terminales en las posiciones relativas
que aparecen en la figura Nº2.30. La perilla, el brazo o el tornillo en el centro del
bastidor controlan el movimiento de un contacto que se puede mover a lo largo del
elemento resistivo conectado entre las dos terminales exteriores. El contacto se
conecta al terminal central, estableciendo una resistencia del contacto móvil a cada
terminal externa.
La resistencia entre los terminales externos a y c de la figura N°2.30 [y de la figura
(a) anterior] siempre está fija en el valor completo determinado del potenciómetro,
independientemente de la posición del brazo b.
Figura N°2.30. Aspecto exterior de un potenciómetro.
- 55 -
2.2.8.2 CONDENSADORES
El condensador es uno de los componentes más utilizados en los circuitos eléctricos
y electrónicos. Un condensador es un componente pasivo que presenta la cualidad
de almacenar energía eléctrica. Está formado por dos láminas de material conductor
(metal) que se encuentran separados por un material dieléctrico (material aislante),
como se aprecia en la figura Nº2.31. En un condensador simple, cualquiera que sea
su aspecto exterior, dispondrá de dos terminales, los cuales a su vez están
conectados a las dos láminas conductoras.
Figura N°2.31. Representación física de un condensador.
Esta figura implica la representación física de un condensador, aunque en la práctica
existen distintas disposiciones de las láminas, con el fin de poder conseguir
características determinadas. Lo que siempre ha de cumplirse es que el dieléctrico se
encuentre entre las dos placas conductoras.
Condensadores fijos. Un condensador tiene la propiedad de poder almacenar y liberar
electrones según las condiciones a las que se le sometan externamente. A este
almacenaje de electrones se le denomina carga, y a la liberación se le da el nombre
de descarga. Los electrones no pueden traspasar el dieléctrico por ser éste un
material aislante.
Los valores y equivalencias comerciales vienen dadas por:
- 56 -
1 pF = 1 pico faradio = 1 x 10-12 faradios.
1 nF = 1 nanofaradio = 1 x 10-9 radios.
1 µF = 1 microfaradio = 1 x 10-6 faradios.
Los tipos varían de acuerdo al material del condensador; y el tamaño de acuerdo a
su capacitancia y voltaje (figura Nº 2.32).
Figura Nº 2.32. Tamaños y tipos de condensadores de acuerdo a su construcción.
2.2.8.3 TRANSISTOR BJT (BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR)
El transistor BJT es un dispositivo semiconductor de tres capas que consiste de dos
capas de material tipo N y una de tipo P, o bien, de dos capas de material tipo P, y
una tipo N. Al primero se le llama transistor NPN, en tanto que al segundo transistor
PNP, como se puede ver en la figura Nº 2.33.
- 57 -
Figura Nº 2.33. Construcción de transistores: a) PNP y b) NPN.
2.2.8.3.1 FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR
En un transistor se pueden combinar dos uniones para obtener amplificación. Un tipo,
llamado transistor de unión NPN (figura N°2.34), consiste en una capa muy fina de
material tipo P entre dos secciones de material tipo N. El material tipo N a la izquierda
de la figura anterior, representa el elemento emisor del transistor, que constituye la
fuente de electrones.
Figura Nº 2.34. Transistor en configuración base común NPN.
- 58 -
Para permitir el avance de la corriente a lo largo de la unión PN, el emisor tiene un
pequeño voltaje negativo con respecto a la capa tipo P, o componente base, que
controla el flujo de electrones.
El material tipo N en el circuito de salida sirve como elemento colector y tiene un
voltaje positivo alto con respecto a la base, para evitar la inversión del flujo de
corriente. Los electrones que salen del emisor entran en la base, son atraídos hacia
el colector cargado positivamente y fluyen a través del circuito de salida. La
impedancia de entrada (la resistencia al paso de corriente) entre el emisor y la base
es reducida, mientras que la impedancia de salida entre el colector y la base es
elevada.
Figura Nº 2.35. Transistor en configuración base común PNP.
Por lo tanto, pequeños cambios en el voltaje de la base provocan grandes cambios
en la caída de voltaje a lo largo de la resistencia del colector, convirtiendo a este tipo
de transistor en un eficaz amplificador. Similar al tipo NPN en cuanto a su
funcionamiento, el transistor de unión PNP dispone también de dos uniones (figura
N°2.35) y es equivalente al tubo de vacío denominado triodo. Otros tipos con tres
uniones, tales como el transistor de unión NPNP, proporcionan mayor amplificación
que los transistores de dos uniones.
- 59 -
Para este proyecto, se usará el transistor TIP 110 en configuración Darlington, lo
que permitirá amplificar la corriente para el manejo de las bobinas del motor paso a
paso. En la figura N°2.36, se indica las características del transistor en mención.
Figura Nº2.36. Características del transistor Darlington TIP 110 según ECG11
.
2.2.8.3.2 EL AMPLIFICADOR DARLINGTON
El amplificador “Darlington” (frecuentemente llamado amplificador compuesto) se
muestra en la figura N°2.37. Esta configuración se usa para aumentar la impedancia
de entrada y conseguir una alta ganancia de corriente, ganancia que es igual al
producto de las ganancias de los dos transistores hfe1 y hfe2.
11 Manual de semiconductores ECG
- 60 -
En este circuito el emisor de T1 está conectado directamente a la base de T2.
Normalmente, los dos colectores están también unidos como se indica, pero esto no
es necesario.
Figura Nº 2.37. Amplificador Darlington básico (compuesto).
De donde podemos deducir:
i0 = ic2 + ic1 (2.8)
La ganancia de corriente del amplificador Darlington, mostrado en la figura N°2.37,
puede ser calculada a partir de:
Ai = hfe2 (2.9)
Este resultado era de esperar, puesto que se necesitan dos reflexiones para ir del
emisor de T1 a la base de T2, y en cada reflexión tiene una multiplicación por hfe.
i0
- 61 -
2.2.8.4 MICROCONTROLADOR PIC
Un micro controlador es un circuito integrado, con alta escala de integración y
usualmente dispone de los siguientes componentes:
Unidad central de proceso.
Memoria RAM para contener los datos.
Memoria para programa tipo ROM / PROM / EEPROM / FLASH.
Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.
Periféricos. Estos pueden ser, temporizadores, puertas serie, modulador de
Anchura de pulsos entre otros.
El diagrama general de un microcontrolador sería de la siguiente manera:
Figura Nº 2.38. Diagrama de bloques general de un PIC.
Los dispositivos de entrada pueden ser un teclado, un interruptor, un sensor, etc.
Los dispositivos de salida pueden ser LED’s, pequeños parlantes, zumbadores,
interruptores de potencia (tiristores, opto acopladores), u otros dispositivos como
relés, luces, etc.
Un microcontrolador no es más que un circuito integrado programable, capaz de
ejecutar órdenes grabadas en su memoria.
- 62 -
Está compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una tarea
específica cuyas partes y componentes principales son:
Memoria ROM (Memoria solo de lectura)
Memoria RAM (Memoria de acceso aleatorio)
Líneas de entrada y salida (I/O) (También llamados puertos)
Lógica de control (Coordina la interacción entre los demás bloques)
Figura Nº 2.39. Diagrama de bloques de un microcontrolador PIC.
El microcontrolador PIC 16F627A, soporta 1000 ciclos de escritura en su memoria
FLASH y 1.000.000 de ciclos en su memoria EEPROM, la memoria de programa
que posee es de 2048 words, la memoria de datos EEPROM es de 128 bytes, la
memoria RAM es de 224 bytes, 16 pines de entrada y salida, y posee 2
comparadores. A más de esto, posee grandes ventajas como son: comunicación
AUSART, oscilador interno de 4KHz, master clear (MCLR) programable, etc.
La alimentación del microcontrolador PIC en general es de Vss=GND=0V y de
Vdd=Vcc=5Vdc, este valor de Vdd puede variar desde 3Vdc hasta 5.5Vdc. Posee
además 2 puertos de I/O, el puerto A y el puerto B, los cuales trabajan a 8 bits cada
uno y entregan 25 mA por cada PIN.
- 63 -
2.2.8.4.1 VENTAJAS DE UTILIZAR UN MICROCONTROLADOR
Al utilizar un microcontrolador se dispone de las siguientes ventajas:
Aumento de prestaciones: Un mayor control sobre un determinado
elemento que representa una mejora considerable del mismo.
Aumento de la fiabilidad: Al reemplazar un elevado número de elementos
por un microcontrolador, disminuye el riesgo de averías y se precisan
menos ajustes.
Reducción del tamaño del producto acabado: La integración del
microcontrolador en un chip disminuye, el volumen, la mano de obra y los
stocks.
Mayor flexibilidad: Las características de control están programadas por lo
que su modificación sólo necesita cambio en el programa de instrucciones.
Antes de seleccionar un microcontrolador es imprescindible analizar los
requisitos de la aplicación:
Procesamiento de datos: Puede ser que el microcontrolador realice cálculos
críticos en un tiempo limitado.
Entrada/Salida: Se tiene que identificar la cantidad y tipo de señales a
controlar.
Consumo: Algunos productos que incorporan microcontroladores están
alimentados con baterías.
Memoria: Para detectar las necesidades de memoria de la aplicación, se
tiene que separar en memoria no volátil1 y memoria volátil2.
Ancho de palabra: El criterio de diseño debe ser seleccionar el
microcontrolador de menor ancho de palabra que satisfaga los
requerimientos de la aplicación.
Diseño de placa: Debe tenerse en cuenta que usar un microcontrolador de
gama baja, puede implicar tener que colocar más componentes externos.
- 64 -
2.2.8.5 FUENTES DE PODER
Una parte muy importante del proyecto es la alimentación, sin ella no es posible que
el brazo robótico funcione de manera alguna, por esto hay que tener cuidado a la
hora de elegir el modo de alimentación. Lo que está claro es que la mejor forma de
alimentación, es con una fuente de corriente contínua conmutada. Con este tipo de
fuente podemos tener una alimentación más estable, por lo tanto adecuada para el
brazo robótico, disponible para colocarlo en una plataforma móvil y además
respetamos el medio ambiente al no utilizar tantas baterías recargables o no
recargables.
Figura Nº 2.40. Diagrama de bloques de una fuente de poder.
Figura Nº 2.41. Diagrama esquemático de una fuente de poder.
- 65 -
2.2.8.6 CIRCUITO IMPRESO
METODO DE FABRICACION DE CIRCUITOS IMPRESOS
Una vez que el proyecto haya sido probado y pasado todas las pruebas
satisfactoriamente, es necesario hacer una placa de circuito impreso, se propone un
método revolucionario y muy sencillo comparado con los métodos de dibujo con
marcador para circuito impreso, revelado y serigrafía, este es la transferencia
térmica.
Lo primero que se recomienda es que tengan todos los elementos electrónicos ya
comprados y listos, para no tener el inconveniente de que una vez hecho la placa no
encuentren el elemento correcto para soldarlo.
Segundo verifique en un protoboard si el proyecto funciona correctamente con todos
los elementos que van a soldar en la placa.
Tercero trate de ver los pines que más se le acomoden a las pistas, que no se crucen
mucho, que además estén lo más cerca al periférico a manejar.
CIRCUITO IMPRESO POR SOFTWARE.
Lo primero que necesitamos para hacer nuestra placa es un dibujo de las pistas para
nuestros elementos (figura N° 2.42), esto lo conseguimos con la ayuda de un
computador, y de los software como PROTEL, TANGO, EAGLE, ORCAD, COREL
DRAW, o cualquier software de dibujo en el que usted pueda trazar las líneas y pads
del circuito, en nuestro caso se realizó con ISIS, Y ARES
- 66 -
Figura N° 2.42. Elaboración de placas (circuitos impresos).
IMPRESIÓN DE LAS PISTAS: Una vez que tenemos el diseño de nuestra placa,
vamos a imprimirlo con una impresora láser o copiadora (que tengan los cartuchos
toner de polvo en color negro), en un papel de transferencia térmica Press-n-Peel (o
papel de transferencia PCB), que lo podemos conseguir en las tiendas electrónicas a
un costo de más o menos 3 USD cada hoja.
También se puede utilizar el PAPEL FOTOGRÁFICO tipo GLOSSY, de la empresa
APLI, para el cual les tenemos los datos exactos12:
12 www.electronicaestudio.com
- 67 -
Este papel fotográfico para impresoras de (inyección de tinta), vienen en cajas de 10
Und. o 50 Und. (Ref. 04135). El costo de la caja de 10 Und. es de 10 USD, y en
algunas papelerías venden por unidades. Si no se encuentra exactamente la misma
hoja, se puede utilizar la hoja APLI de 125 g. de referencia 04451 de 10 Und. ,o la de
ref. 04134 de 50 Und.. La única desventaja que tienen las hojas de 125 g. es que el
papel se rompe al tratar de separar de la placa, pero sin embargo no es un problema
se lo puede remojar toda la placa y así desprenderlo con la yema de los dedos.
No se debe olvidar que la impresión debe realizarse en una IMPRESORA LASER o
fotocopiadora y no por una impresora de inyección de tinta. Aquí está el truco, el
papel fotográfico que hemos hablado anteriormente, sirve para imprimir fotografías
específicamente en impresoras de inyección de tinta, al imprimirlo en una impresora
láser, se da un efecto químico al unirse el toner de la impresora con la capa de barniz
que tienen estas hojas, (lo mismo sucede con el papel Press-n-Peel), el hecho es
que si se imprime con la de inyección a tinta, estas hojas ya no sirven.
Una vez que se tiene lista la hoja con la impresión del circuito, el siguiente paso es
aplicarle calor por el lado revés de las hojas y sobre las placas, para lo cual
utilizaremos la hoja de transferencia (UNIVERSAL PlCmicro3), el calor de la plancha
hace que el toner se derrita, y junto al barniz de la hoja se pegan en la lámina de
cobre.
2.2.9 HMI - LABVIEW
Introducción. En 1986, LabVIEW revolucionó la industria de la Instrumentación
Industrial, a través de la Instrumentación Virtual, este concepto permite a los usuarios
la utilización y construcción de sus propios sistemas de Instrumentación a partir de
computadoras estándar y de materiales de adquisición de datos del contexto.
- 68 -
LabVIEW centra la lógica de su funcionamiento en beneficiarse de estos sistemas y
de su capacidad de cálculo.
Los sistemas de software centralizados y la compatibilidad de los computadores
proveen del poder y la flexibilidad para construir cada una de las funciones de la
instrumentación virtual imaginables.
Se puede combinar las tarjetas de adquisición de datos con las técnicas de
Instrumentación tradicional, para crear un conjunto de instrumentos virtuales capaces
de satisfacer exactamente sus necesidades específicas.
Uno de los campos en los que la instrumentación virtual brinda muchas de sus
prestaciones es la de poder simular el funcionamiento de aparatos o instrumentos de
medida con la capacidad de sobrepasar en mucho la precisión de los instrumentos
reales, a mas de su muy reducido costo de implementación.
Los instrumentos así diseñados permiten implementar laboratorios virtuales para
cualquier ámbito en el cual la electrónica sea aplicable.
QUÉ ES LabVIEW?
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) es un entorno de
desarrollo basado en la programación gráfica, Lenguaje G. LabVIEW es plenamente
integrado para comunicarse con hardware tal como GPIB, VXI, dispositivos serie,
PLC´s y tarjetas de adquisición de datos (DAQ). LabVIEW también puede construir
librerías utilizando un software estándar o protocolos como el TCP/IP para gestión de
redes y ActiveX.
- 69 -
Usando LabVIEW, se puede crear programas de 32-bits los cuales tienen una rápida
ejecución para adquisición de datos, pruebas y soluciones a medida. También se
puede crear ejecutable porque LabVIEW es un verdadero compilador de 32 bits.
Se puede utilizar LabVIEW con poca experiencia de programación. LabVIEW usa
terminología, e ideas con iconos que son familiares a técnicos, científicos e
ingenieros, cuenta con símbolos y gráficos reales en lugar de un lenguaje textual
para describir acciones de programación. Programar en LabVIEW para un mundo
real de aplicaciones puede ser muy simple a muy poderoso, un ejemplo de ello se
presenta en la figura Nº2.42.
Figura N°2.42. Aplicación de Lab View.
LabVIEW contiene librerías comprensibles para la colección, análisis, presentación y
almacenamiento de datos. LabVIEW también incluye programas tradicionales con
herramientas de desarrollo. Se puede poner puntos de ruptura para ver la ejecución,
del programa y fácilmente depurarlo a través de la función debugging (depuración).
LabVIEW también provee de varios mecanismos para interactuar con código externo
a través de DLLs, librerías compartidas, ActiveX, y mucho más. Además se puede
agregar un conjunto de herramientas de trabajo que permitan una variedad de
aplicaciones según las necesidades.
- 70 -
POR QUÉ USAR LabVIEW?
LabVIEW permite construir sus propias soluciones a científicos e ingenieros en
sistemas y electrónica. LabVIEW provee de flexibilidad y de un poderoso lenguaje de
programación que permite generar aplicaciones sin dificultades ni complicaciones.
LabVIEW brinda satisfacciones a miles de usuarios, como un exitoso programa de
instrumentación y sistemas de adquisición de datos. Al usar LabVIEW como prototipo
de diseño, prueba e implementación de sus sistemas de instrumentación, se pueden
desarrollar sistemas en poco tiempo e incrementar la productividad en un factor de 4
a 10.
CÓMO TRABAJA LabVIEW?
LabVIEW incluye librerías de funciones y herramientas de desarrollo diseñadas
específicamente para la adquisición de datos e instrumentos de control. A los
programas de LabVIEW se los llama instrumentos virtuales (VIs) porque su
apariencia y operación imita a los instrumentos reales. Sin embargo, son análogos a
las funciones de los lenguajes de programación convencional. Los VIs tienen una
interfaz interactiva entre el usuario y un equivalente al código original, y acepta
parámetros desde niveles superiores.
Las siguientes son descripciones de los tres aspectos de los VIs.
La interfaz interactiva de un usuario de VI se llama panel frontal (front panel),
porque simula el panel de un instrumento físico. El panel frontal contiene
perillas, botones pulsadores, gráficos, y otros controles e indicadores. Se
puede ingresar datos utilizando el ratón y el teclado y ver los resultados en la
pantalla de la computadora.
- 71 -
El VI recibe instrucciones desde el diagrama de bloque (block diagram), que
se construyó en lenguaje G. El diagrama de bloque es una solución gráfica al
problema del programador. El diagrama de bloque es también el código
original para el VI.
Los VIs son jerárquicos y modulares. Se los puede usar como programas de
alto nivel, o como subprogramas sin otros programas o subprogramas. Un VI
dentro de otro VI se llama subVI. El icono y conector de un VI trabaja como un
parámetro gráfico, lista a otros VIs para que puedan pasar datos, como puede
ser en el caso de un subVI.
2.2.9.1 ELEMENTOS DEL LABVIEW
PALETAS (Paletees) Las paletas de LabVIEW tienen la opción de crear y editar
según la necesidad sobre el panel frontal y el diagrama de bloque.
PALETA DE HERRAMIENTAS (Tools Palette) Se puede usar la paleta de
Herramientas tanto en el panel frontal como en el diagrama de bloque. La paleta de
Herramientas (figura Nº 2.43) contiene las herramientas que se usan para editar y
dibujar sobre el panel frontal y los objetos del diagrama de bloque.
- 72 -
Figura N°2.43. Paleta de herramientas del Lab View
PALETA DE CONTROLES (Controls Palette) Esta paleta permite interactuar en el
panel frontal. La paleta contiene controles e indicadores que se usa para crear la
interfaz con el usuario
Figura N°2.44. Paleta de controles.
- 73 -
PALETA DE FUNCIONES (Functions Palette). Se usa en el diagrama de bloque. La
paleta de funciones contiene los objetos para programar el VI, tal como la aritmética,
instrumentación de E/S, archivos de E/S, y operaciones de adquisición de datos.
Figura N°2.45. Paleta de funciones
FLUJO DE DATOS (Data Flow) Los VIs de LabVIEW siguen un modelo de flujo de
datos para la ejecución de programas. El diagrama de bloque consiste de nodos
(nodes) tales como VIs, estructuras y terminales. Desde el panel frontal estos nodos
son conectados por cables (wires), que definen el flujo de datos mediante el
programa. La ejecución de un nodo ocurre cuando todas sus entradas son
disponibles. Cuando un nodo finaliza la ejecución, libera todas las salidas para el
próximo nodo en el flujo de datos en trayectoria.
Figura N°2.46. Aplicación de diagrama de bloques.
- 74 -
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL Los programas de LabVIEW son llamados
instrumentos virtuales (VIs). Los VIs. Tienen tres partes: el panel frontal, el diagrama
de bloque y el icono/conector.
PANEL FRONTAL (Front Panel). Para el panel frontal, abrimos LabVIEW por menú
Inicio, la opción Programas y luego National Instruments LabVIEW 7.0.
Seguidamente se mostrara la ventana de inicio de LabVIEW de la cual deberá
seleccionar New VI, de inmediato se podrá observar el panel presentado en la figura
Nº2.47.
Figura N° 2.47. Panel frontal
DIAGRAMA DE BLOQUE (Block Diagram) El siguiente diagrama representa una
aplicación completa sobre LabVIEW, y un ejemplo de que puede contener la
programación en LabVIEW como indica en la figura Nº2.48.
- 75 -
Figura N°2.48. Diagrama de Bloque
Cada panel frontal viene acompañado de un diagrama de bloque que es el VI
equivalente a un programa, se puede construir un diagrama de bloque usando la
programación gráfica. Se puede pensar que el diagrama de bloque es como el código
fuente.
Los componentes del diagrama de bloque representan nodos de programas tal como
For Loops, estructuras Case, y funciones de multiplicación. Los componentes son
los cables (wires), unidos para mostrar el flujo de datos dentro del diagrama de
bloque.
La estructura que encierra a las demás es la While Loop. Esta continúa
ejecutándose hasta que el interruptor de Adquisición se ponga a Off. Las terminales
de flecha sobre el borde del While Loop son llamadas Registros de Desplazamiento
(Shift Registers) y almacenan valores desde la primera iteración del bucle a la
próxima. Los valores que los registros de desplazamiento almacenan son los del
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histograma, analiza el valor de la iteración, y esta denota en que orden va la
desviación estándar. Las dos estructuras principales dentro del While Loop son la
estructura For Loop y la estructura Case. La adquisición de los datos tiene lugar
dentro del For Loop. El For Loop toma la lectura de 10 temperaturas del valor
especificado por el Período de Actualización y traza cada lectura sobre el termómetro
y el mapa (chart). El VI también compara la temperatura a los límites altos y más
bajos.
La estructura Case controla el análisis de temperatura. Si el interruptor de Análisis
está en Off, el VI no desempeña el análisis. Se puede ver esto presionado sobre una
de las flechas próximas a la palabra True. En el caso False no tiene lugar a analizar,
y el valor de iteración de análisis e histograma se recalibran, a cero, en el caso True
del mismo método se cambió al caso False. Aquí los datos son analizados por dos
subVIs – uno guarda un histograma de corrida de las temperaturas adquiridas, y el
otro guarda una corrida de desviación estándar de las temperaturas.
CONTROLES E INDICADORES
CONTROLES NUMÉRICOS E INDICADORES. Se usa los controles numéricos para
introducir cantidades numéricas, mientras los indicadores muestran cantidades
numéricas. Los dos objetos numéricos más usualmente usados son el digital control
(control digital) y el indicador digital (digital indicador), tal como se aprecia en la figura
Nº2.49.
Figura N°2.49.Control Digital e Indicador Digital
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CONTROLES E INDICADORES BOOLEAN. Se usa los controles e indicadores
Boolean para introducir y desplegar valores Boolean verdadero/falso (True/False).
Estos objetos simulan interruptores, botones, y LED´s.
Los objetos Boolean más usualmente usados son el vertical switch y el round LED,
que son presentados en la figura Nº2.50.
Figura N°2.50.Controles e Indicadores Boolean
Para esto en el panel frontal es necesario incluir un Led para indicar que ha iniciado
el envío de datos a través del computador, un control de texto para escribir el dato
que se desee enviar y un pulsador para iniciar la comunicación. Quedando el panel
completo tal como se muestra en la figura Nº2.51.
Figura N°2.51. Aplicación de controles e indicadores.
2.2.10 SOFTWARE
Programación del microcontrolador. Son los programas y rutinas necesarios para
que el brazo robótico funcione de manera correcta.
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Generalidades.- Los programas en el controlador de un robot pueden ser
agrupados de acuerdo al nivel de control que realizan:
Nivel de inteligencia artificial, donde el programa aceptará un comando como
“levantar el producto” y descomponerlo dentro de una secuencia de comandos de
bajo nivel basados en un modelo estratégico de las tareas.
Nivel de modo de control, donde los movimientos del sistema son modelados, para
lo que se incluye la interacción dinámica entre los diferentes mecanismos,
trayectorias planeadas, y los puntos de asignación seleccionados.
Niveles de servo sistemas, donde los actuadores controlan los parámetros de los
mecanismos con el uso de una retroalimentación interna de los datos obtenidos por
los sensores, y la ruta es modificada sobre la base de los datos que se obtienen de
sensores externos. Todas las detecciones de fallas y mecanismos de corrección son
implementados en este nivel.
En la clasificación final se considerara el nivel del lenguaje de programación. La
clave para una aplicación efectiva de los robots para una amplia variedad de tareas,
es el desarrollo de lenguajes de alto nivel. Existen muchos sistemas de programación
de robots, aunque la mayoría del software más avanzado se encuentra en los
laboratorios de investigación. Los sistemas de programación de robots caen dentro
de tres clases:
Sistemas guiados, en el cual el usuario conduce el robot a través de los
movimientos a ser realizados.
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Sistemas de programación de nivel-robot, en los cuales el usuario escribe un
programa de computadora al especificar el movimiento y el sensado.
Sistemas de programación de nivel-tarea, en el cual el usuario especifica la
operación por sus acciones sobre los objetos que el robot manipula.
2.2.10.1 INTRUCCIONES DE PROGRAMACIÓN EN MICROCODE
Para desarrollar la programación, debemos entender que es cada una de las
instrucciones o palabras que el compilador posee para realizar una tarea especifica;
las mas utilizadas son: IF, THEN, NEXT, FOR, HIGH, LOW, PAUSE, GOSUB,
GOTO, LCDOUT, SERIN, SEROUT, END.
Todas las instrucciones son reconocidas automáticamente por el programa
MICROCODE, lo coloca en negrilla y mayúscula; y sirve para que el compilador
realice los ajustes necesarios.
Para la programación de la secuencia del brazo robótico, debemos conocer ciertas
instrucciones básicas, para poder desarrollar la programación completa:
INSTRUCCIONES ACCIONES
@ Inserta una línea de código ensamblador
ADCIN Lee el conversor analógico
ASM…….ENDASM Inserta una sección de código ensamblador
BRANCH GOTO computado (equivalente a ON….GOTO)
BRANCHL BRANCH fuera de pagina (BRANCH largo)
BUTTON Anti-rebote y auto-repetición de entrada en el PIN especificado
CALL Llamada a subrutina de ensamblador
CLEAR Hace “cero” todas las variables
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CLEARWDT Hace “cero” el contador del Watchdog Timer
COUNT Cuenta el numero de pulsos en un PIN
DATA Define el contenido inicial en un chip EEPROM
DEBUG Señal asincrónica de salida de un PIN fijo y BAUD
DEBUGIN Señal asincrónica de entrada de un PIN fijo y BAUD
DISABLE Deshabilita el procesamiento de ON INTERRUPT, ON DEBUG
DISABLE DEBUG Deshabilita el procesamiento de ON DEBUG
DISABLE INTERRUPT Deshabilita el procesamiento de ON INTERRUPT
DTMFOUT Produce tonos telefónicos en un PIN
EEPROM Define el contenido inicial en un chip EEPROM
ENABLE Habilita el procesamiento de ON INTERRUPT, ON DEBUG
ENABLE DEBUG Habilita el procesamiento de ON DEBUG
ENABLE INTERRUPT Habilita el procesamiento de ON INTERRUPT
END Detiene la ejecución e ingresa en modo de baja potencia
FOR….NEXT Ejecuta declaraciones en forma repetitiva
FREQOUT Produce hasta 2 frecuencias en un PIN
GOSUB Llama a una subrutina BASIC en la línea especificada
GOTO Continua la ejecución en la línea especificada
HIGH Saca un “1” lógico (5 Vdc) por un PIN
HPWM Salida de hardware con ancho de pulsos modulado
HSERIN Entrada serial asincrónica (hardware)
HSEROUT Salida serial asincrónica (hardware)
12CREAD Lee bytes de dispositivos 12C
12CWRITE Graba bytes de dispositivos 12C
IF..THEN..ELSE..ENDIF Ejecuta declaraciones en forma condicional
INPUT Convierte un PIN en entrada
LCDIN Lee caracteres desde una RAM de un LCD
LCDOUT Muestra caracteres en un LCD
LET Asigna el resultado de una expresión a una variable
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LOOKDOWN Busca un valor en la tabla de constantes
LOOKDOWN2 Busca un valor en la tabla de constantes o variables
LOOKUP Obtiene un valor constante de una tabla
LOOKUP2 Obtiene un valor constante o variable de una tabla
LOW Saca un “0” lógico (0 Vdc) por un PIN
NAP Apaga el procesador por un corto periodo de tiempo
ON DEBUG Ejecuta un DEBUG en BASIC
ON INTERRUPT Ejecuta una subrutina BASIC en un INTERRUPT
OUTPUT Convierte un PIN en salida
OWIN Entrada de dispositivos un-alambre
OWOUT Salida de dispositivos un-alambre
PAUSE Demora con resolución de 1 milisegundo
PAUSEUS Demora con resolución de 1 microsegundo
PEEK Lee un byte del registro
POKE Graba un byte en el registro
POT Lee el potenciómetro en el PIN especificado
PULSIN Mide el ancho de pulso en un PIN
PULSOUT Genera un pulso hacia un PIN
PWM Salida modulada en ancho de pulso por un PIN especifico
RANDOM Genera un numero pseudo-aleatorio
READ Lee un byte de un chip EEPROM
READCODE Lee una palabra desde un código de memoria
RESUME Continua la ejecución luego de una interrupción
RETURN Continua en la declaración que sigue al ultimo GOSUB
REVERSE Convierte un PIN de salida en entrada, o 1 de entrada en salida
SELECT CASE Compara una variable con diferentes valores
SERIN Entrada serial asincrónica (tipo BASIC Stamp1)
SERIN2 Entrada serial asincrónica (tipo BASIC Stamp2)
SEROUT Salida serial asincrónica (tipo BS1)
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SEROUT2 Salida serial asincrónica (tipo BS2)
SHIFTIN Entrada serial asincrónica
SHIFTOUT Salida serial sincrónica
SLEEP Apaga el procesador por un periodo de tiempo
SOUND Genera un tono o ruido blanco en un PIN
STOP Detiene la ejecución del programa
SWAP Intercambia los valores de dos variables
TOGGLE Hace salida a un PIN y cambia su estado
USBIN Entrada de USB
USBOUT Salida de USB
USBINIT Inicializa USB
WHILE….WEN Ejecuta declaraciones mientras la condición sea cierta
WRITE Escribe y graba bytes en un chip EEPROM
WRITECODE Escribe palabra en código de memoria
XIN Entrada X-10
XOUT Salida X-10
Tabla 2.2. Instrucciones de programación en MICROCODE.
2.2.10.2 ALGORITMO Y DIAGRAMAS DE FLUJO
Un algoritmo es un procedimiento general por medio del cual se puede encontrar la
solución a cada problema y/o una respuesta a cada pregunta, de una clase de un
modo netamente mecánico y en un número finito de pasos.
Un diagrama de flujo, a diferencia de un algoritmo, es una estructura gráfica y lógica
del programa a ejecutar. Para ello debemos hacer uso de figuras geométricas (tabla
N°2.3), las mismas que tienen su significado:
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INICIO Y FIN DEL PROGRAMA
PROCESOS
IMPRIMIR DATOS
SUBRUTINAS O PROCESOS
PREDEFINIDOS
DECISION O CONDICIONANTES
CONECTOR
Tabla 2.3. Símbolos para elaboración de los diagramas de flujo.
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CAPÍTULO III
DISEÑO, SELECCIÓN Y CONSTRUCCIÓN
3.1 DISEÑO
3.1.1 CONSIDERACIONES EN EL DISEÑO MECÁNICO.
Para poder establecer un buen diseño mecánico se deben considerar distintos
aspectos que puedan satisfacer los requerimientos necesarios:
1. La primera consideración en el diseño es la de seleccionar o diseñar los
mecanismos de articulación que brinden los grados de libertad (GDL) requeridos para
el movimiento del manipulador.
2. La segunda consideración que se debe tomar en cuenta en la parte del diseño, es
que los motores deben ser acoplados directamente sobre los ejes de giro de cada
articulación, razón por la cual se ha elegido una transmisión de movimiento a través
de engranajes, lo que permitirá que el movimiento se lo haga a velocidad adecuada y
a torque necesario.
3. La tercera consideración, trata con las longitudes que tendrá el brazo manipulador,
las cuales deberán ser tomadas en base a las dimensiones de un brazo humano
estándar.
4. La cuarta consideración se refiere al diseño de los eslabones, los cuales deberán
tener un peso relativamente pequeño, usando como ya dijimos anteriormente,
- 85 -
materiales de peso relativamente bajo, de tal forma que los movimientos funcionen
correctamente y aprovechar al máximo la potencia de los motores.
3.1.2 DISEÑO DEL DIAGRAMA DE BLOQUES
El siguiente diagrama de bloques (figura Nº 3.1), expone los pasos que se va a seguir
para el diseño del brazo robótico, en primer lugar, se analizaron los tipos de modelos
de robots de acuerdo a los existentes en el mercado, luego el tamaño adecuado para
la aplicación, el material que se utilizará para que sea lo más didáctico posible, los
grados de libertad que son las articulaciones, los motores que tienen que ser livianos
y de gran torque, los mecanismos que multiplican la fuerza, material de apoyo para el
ensamblaje del brazo robótico, el soporte que tenga una buena consistencia para
sostener todos los movimientos, los circuitos de control que realizarán la secuencia y
la interfase que se utilizará, el HMI (Interfase Hombre Máquina) para controlar desde
el computador, y por último fuentes de alimentación para polarizar los elementos
eléctricos y electrónicos.
MODELO TAMAÑO MATERIALGRADOS DE
LIBERTAD
MOTORES MECANISMOSMATERIALES
DE APOYOSOPORTE
CIRCUITOS DE
CONTROLHMI ALIMENTACIÓN
Figura Nº 3.1. Diagrama de bloques para el diseño del brazo robótico.
- 86 -
3.1.2.1 MODELO
Existen varios tipos de robots en el mercado, como son hidráulicos, neumáticos,
eléctricos etc. Los más conocidos y utilizados son los siguientes:
Manipuladores, que son sistemas mecánicos multifuncionales, con un sencillo
sistema de control, que permite gobernar el movimientote sus elementos de los
siguientes modos. Manual, de secuencia fija, de secuencia variable.
Robots de repetición o aprendizaje, que son los que se limitan a repetir una
secuencia de movimientos, previamente ejecutada por un operador humano.
Robots con control por computador son manipuladores o sistemas mecánicos
multifuncionales, controlados por un computador, que habitualmente suele ser un
microordenador, el control por computador dispone de un lenguaje específico,
compuesto por varias instrucciones.
Robots inteligentes son similares a los del grupo con control por computador, pero,
además, son capaces de relacionarse con el mundo que los rodea a través de
sensores, y tomar decisiones en tiempo real.
Micro-robots son construidos con fines educativos, de entrenamiento o investigación,
existen numerosos robots cuya estructura y funcionamiento son similares a los de
aplicación industrial.
3.1.2.2 TAMAÑO
En el mercado existen un sinnúmero de robots tanto en estilo como en tamaño, de
acuerdo a la aplicación, son máquinas robustas y versátiles, de propósito general,
- 87 -
que se adaptan a múltiples aplicaciones como inspección, soldadura al arco,
aplicación de productos de sellado, carga y descarga de maquinaria, manipulación de
piezas, con fines educativos de entrenamiento e investigación.
3.1.2.3 MATERIAL
Se dispone de algunos materiales en el mercado con los que se puede construir el
brazo robótico como son: el hierro por su resistencia mecánica, el aluminio por la
facilidad que nos da para la construcción de piezas pequeñas, acrílico al igual que el
aluminio nos facilita la construcción de los elementos pequeños como también el
doblaje para la adaptación en determinados lugares del manipulador. Para la parte
de transmisión de movimiento se disponen de engranajes de dientes rectos,
construidos en plástico, por su bajo peso, su alta versatilidad y sus múltiples
ventajas.
3.1.2.4 GRADOS DE LIBERTAD
Recordemos que la una de las consideraciones más importantes en el diseño es la
de seleccionar o diseñar los mecanismos de articulación (figura N°3.2) que brinden
los grados de libertad (GDL) requeridos para el movimiento del manipulador.
Estos mecanismos tienen las siguientes condiciones de diseño:
- 88 -
Figura N°3.2. Consideraciones para determinar los grados de libertad.
Para la parte del tronco, se requiere de un movimiento (1± GDL), el cual debe
generarse en un mismo punto, es decir, que tengan un solo origen, para lo
cual, se debe realizar el diseño de un mecanismo de 1 GDL. Como ya se
mencionó anteriormente, los motores que se usan son de dos tipos: paso a
paso y de corriente continua (servomotores). Los primeros son utilizados en
movimientos en los cuales no se requieren grandes esfuerzos ni grandes
precisiones de posicionamiento; razón por la cual se utilizará un motor paso a
paso para el movimiento del tronco.
El segundo grado de libertad proporciona movimiento al hombro.
El tercer grado de libertad proporciona el movimiento al codo.
El cuarto grado de libertad proporciona el movimiento a la muñeca.
El quinto grado de libertad proporciona el movimiento a la mano o
manipulador.
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Como podemos apreciar en la figura anterior, para cada articulación, se debe brindar
un solo movimiento, el cual se genera en el origen de cada una.
Es importante recordar, que conforme se vaya armando el brazo robótico, es decir,
cada vez que se vaya estructurando cada eslabón con cada articulación, el peso de
cada elemento del brazo va ha aumentar, lo que influenciará en cada uno de sus
movimientos; tanto por su peso propio, así como el de los elementos que le
anteceden y los que le siguen. Además tiene mucho que ver el material y
dimensiones con los que está hecho cada parte del brazo.
Lo que implica que para los movimientos del hombro, codo, muñeca y manipulador,
usaremos servomotores, lo que dará confiabilidad en los diferentes movimientos.
Para poder establecer un buen diseño mecánico se deben considerar distintos
aspectos que puedan satisfacer los requerimientos necesarios:
El brazo manipulador es el dispositivo mecánico que soporta los movimientos para
llevar a cabo una tarea encomendada, por lo general constan de 6 articulaciones o
grados de libertad. Las articulaciones están dispuestas de forma similar al del ser
humano.
3.1.2.4.1 CAMPO DE ACCIÓN DEL BRAZO ROBÓTICO.
Se define el campo de acción de un robot como el conjunto de puntos (espacio) del
sistema cartesiano accesible al extremo del mismo. Dentro de ese espacio se
mantienen todas las características de posicionamiento del manipulador. El campo
de acción se forma por los ángulos límites de variación de cada una de las
articulaciones, en el caso de robots articulados. Estas limitaciones se deben al diseño
mecánico y, en algunos casos, al máximo par que pueden suministrar los actuadores.
- 90 -
El conjunto del brazo está conformado por las articulaciones: 1, 2, 3, 4 y 5; y los
eslabones: A, B, C, D; como se aprecia en la figura Nº 3.3; los mismos que tienen lo
siguientes campos de acción:
El eslabón A, tiene un campo de acción de 180°.
El eslabón B, tiene un campo de acción de 40°.
El eslabón C, tiene un campo de acción de 20°.
El eslabón D, tiene un campo de acción de 20°.
Figura N°3.3. Articulaciones, eslabones y campo de acción del brazo robótico.
- 91 -
3.1.2.5 MOTORES
Cada articulación será movida por motores sean estos de corriente continua,
corriente alterna, motores PAP, o servomotores, cada uno de estos tienen sus
respectivas características y pueden ser usados en el sitio adecuado.
3.1.2.6 MECANISMOS
Son sistemas por los cuales se puede transmitir movimientos, energía, mediante
dispositivos de transmisión de giro entre árboles alejados o directamente. Los más
importantes podemos citarlos como son por engranajes, correas, por cadenas,
catalinas, ruedas de fricción, poleas.
3.1.2.6.1 DISEÑO Y CÁLCULO DE LA ESTRUCTURA DEL BRAZO
TRANSMISIONES.
Como ya se mencionó en el capítulo II, las transmisiones son los elementos
encargados de transmitir el movimiento desde los actuadores (se rvomoto res )
hasta las articulaciones. Dado que el b razo robótico mueve sus extremos con
aceleraciones elevadas, es de gran importancia reducir al máximo su momento de
inercia debido a la velocidad, para ello, los servomotores están acoplados a las
articulaciones a través de un conjunto de 2 engranajes rectos, denominado
reductor.
REDUCTORES.
Son los encargados de adaptar el par y la velocidad de salida del actuador a los
valores adecuados para el movimiento de los elementos del brazo robótico. A los
reductores utilizados en robótica se les exigen unas condiciones de funcionamiento
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muy restrictivas por las altas prestaciones que se les exigen en cuanto a precisión y
velocidad de posicionamiento, estas condiciones son:
Bajo peso y tamaño.
Bajo rozamiento.
Capaces de realizar una reducción elevada de velocidad en un único paso.
Deben minimizar su momento de inercia.
Tienen una velocidad máxima de entrada admisible.
Deben soportar elevados pares puntuales (continuos arranques y
paradas).
El juego angular debe ser lo menor posible (giro del eje de salida sin que gire el
de entrada).
Alta rigidez torsional (par que hay que aplicar al eje de salida para que
bloqueado el de entrada gire un ángulo unitario).
Las características básicas de la estructura del brazo dependen de varios elementos,
tales como: del sistema de transmisión, de los materiales utilizados para elaboración
de eslabones, el tipo de manipulador o herramienta, tamaño de los servos, etc.
Para tener un buen sistema de transmisión, se debe tener en cuenta lo siguientes
factores:
Tamaño y peso reducidos de sus partes.
Evitar holguras.
Deben tener gran rendimiento.
No afecte al movimiento que transmite.
Sea capaz de soportar un funcionamiento continuo a un par elevado incluso
a grandes distancias.
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Las transmisiones más habituales, y las que se utilizará para el diseño del brazo son
las transmisiones directas, utilizando engranajes de dientes rectos en cada
articulación; con la particularidad importante de que en los 3 servomotores que
provocan el movimiento de rotación de las articulaciones, están montados engranajes
de diámetro pequeño, es decir, son las ruedas motrices; y, en los eslabones están
montados engranajes de mayor diámetro, ruedas conducidas. Esto con la finalidad
de reducir la velocidad de giro en cada movimiento, con mayor fuerza. Ya que
debemos vencer el peso propio de cada elemento, notemos que el primer
servomotor debe soportar el peso de casi toda la estructura del brazo,
recordemos que:
“Lo que se gana en fuerza, se pierde en velocidad”
El brazo robótico esta diseñado para poder desplazar un peso de 150 gramos.
Además, como ya se menciono anteriormente, el SERVO 1 debe tener más par de
giro, ya que además de llevar el peso de la carga útil, debe soportar toda la estructura
del brazo; al contrario del SERVO 2 y SERVO 3, que solo van a actuar sobre una
parte de la estructura.
3.1.2.6.2 CÁLCULO DEL PESO DE LA ESTRUCTURA
2 piezas del brazo…………………………………………………………………100 gr
2 piezas del antebrazo…………………………………………………………..…80 gr
3 servomotores (55.2 gr c/u).………………………………………………….165.6 gr
1 manipulador………………………………………………………………………50 gr
10 tornillos de 4”x4…..……………………………………………………………100 gr
8 tornillos de 3”x4…………………………………………………………………..60 gr
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8 tornillos de 2”x3…………………………………………………………………..20 gr
20 tornillos de 1”x3…………………………………………………………………40 gr
3 ejes de tubing de acero………………………………………………………....60 gr
2 ejes de tubing de acero…………………………………………………………20 gr
6 rodelas…………………………………………………………………………....15 gr
TOTAL : 760.6 gr
3.1.2.6.3 CÁLCULO DEL PAR DE LOS SERVOMOTORES
Se ha definido que la palanca del brazo será de 480 mm, y el peso de la estructura es
de 1013.6 gramos, distribuidos como se muestra en la siguiente figura Nº3.4.
150 mm 180 mm 60 mm 90 mm
MANIPULADOR
50 gr
SERVO 1 ESLABON 1 SERVO 2 ESLABON 2 SERVO 3 SERVO 4 CARGA UTIL
55.2 gr 120 gr 55.2 gr 100 gr 55.2 gr 55.2 gr 150 gr
Figura Nº 3.4. Distribución de cargas en el brazo robótico.
La figura anterior nos muestra la distribución de cargas a lo largo de toda la
estructura mecánica, incluida la carga útil a transportar. Como todos los
servomotores son de idénticas características, solo nos bastara con hacer el cálculo
- 95 -
para el servomotor que va ha estar sometido a la mayor carga, para nuestro caso, es
el SERVO 1.
Una vez determinado el par (torque) necesario para el SERVO 1, podremos definir si
nos encontramos o no dentro de tolerancia, es decir, si el torque máximo que nos
entrega el servomotor esta dentro de los 7.7 Kg.cm que nos indica en las
especificaciones técnicas del mismo.
Como es conocido, que el torque es igual a la fuerza por la distancia:
FxDT (TORQUE = FUERZA x DISTANCIA) (3.1)
TORQUE = (120g x 7.5cm + 55.2g x 15cm + 100g x 24cm + 55.2g x 33 cm
+ 55.2g x 39cm + 50gr x 43.5cm + 150gr x 48cm)
TORQUE = (900 + 828 + 2400 + 1821.6 + 2152.8 + 2175 + 7200) g.cm
TORQUE = 17.48 Kg.cm
Como sabemos, que al utilizar REDUCTORES, perdemos en velocidad, pero ganamos
en fuerza, entonces tenemos que el torque real del SERVO 1 es:
11
22 xT
D
DT (3.2)
Donde:
T2: Torque obtenido al utilizar engranajes reductores de velocidad.
D2: Diámetro del engranaje 2 (conocido)
D1: Diámetro del engranaje 1 (conocido)
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T1: Torque del SERVO 1 (conocido)
Entonces tenemos:
T2 = (44 mm / 18 mm) x 7.7 Kg.cm
T2 = 18.82 Kg.cm (Torque real del SERVO 1)
En consecuencia:
Si miramos las características del SERVO 1 cuando esta alimentado por una tensión
de 4.8 Vdc y acoplado con REDUCTORES de velocidad, puede dar 17.48 Kg.cm
En los cálculos realizados anteriormente de la estructura y carga útil, se ve que el
motor necesita un par mínimo de 17.48 Kg.cm
Así se ve que el SERVO 1 si podrá llevar el peso para el cual ha sido previsto, con un
coeficiente de seguridad de:
Tnecesario
TservoCs (3.3)
Entonces:
Cs = 18.82 Kg.cm / 17.48 Kg.cm = 1.07
- 97 -
3.1.2.7 MATERIALES DE APOYO
Entre los elementos para el ensamblaje de las diferentes piezas del manipulador
podemos citar los siguientes: tornillos, tuercas, tubos de aluminio, tubos de plástico,
resortes, arandelas, seguros.
3.1.2.8 SOPORTE
El armario de control y soporte del manipulador puede estar construido de tol,
aluminio, acrílico, madera, de acuerdo al peso, tamaño, velocidad, y los movimientos
que vaya a realizar, como también pueda ser transportado con facilidad a cualquier
lugar para realizar las prácticas. De preferencia, deberá ser lo más robusto posible,
ya que éste va a soportara todos los elementos de conforman el brazo.
3.1.2.9 CIRCUITOS DE CONTROL
Los circuitos de control constan de placa de conductores que pueden ser de
baquelita, fibra de vidrio, de 35 0 70 micras o universales. Se utilizarán también
elementos discretos como: resistores, condensadores, relés, transistores, cables de
conexión, zócalos, conectores, microcontroladores PIC´s. A los servomotores se les
verificar su operación, armando un circuito de prueba usando el C.I. LM555 (ver
figura N°2.24).
3.1.2.10 HMI (Human Machine Interface).
Para ésta etapa del proyecto se dispone de algunos elementos o circuitos como son:
microcontroladores, microprocesadores, tarjetas de adquisición de datos, manejados
desde la computadora a través de diferentes tipos de configuraciones y pórticos que
están disponibles en la misma, el puerto paralelo, los puertos serie, y el USB. Los
software que podemos utilizar para la comunicación entre el computador y los
- 98 -
motores son: Visual Basic, LabView. Actualmente, existen en el mercado muchos
software muy fáciles de usar, programar, amigables en toda su arquitectura; pero los
más confiables son los mencionados.
3.1.2.11 ALIMENTACIÓN
En la actualidad existen en el mercado una gran variedad de fuentes de alimentación,
fijas, variables, simétricas, conmutadas, como también baterías de todo tipo,
recargables, no recargables, acumuladores. Lo importante en esta etapa del diseño
es utilizar energía barata, como también no utilizar elementos o equipos que vayan a
contaminar el medio ambiente, tal es el caso de las baterías.
3.2 SELECCIÓN
Una vez establecida la etapa del diseño, se procede con la etapa de selección,
siguiendo el mismo orden determinado en el diagrama de bloques (figura N°3.1) de la
fase de diseño.
3.2.1 MODELO
Se ha seleccionado el modelo micro robot, porque este se ajusta a las necesidades
del proyecto y cumple los mismos fines que son didácticos. Se ha creído conveniente
combinar con el robot controlado por computador, debido ha la propuesta del
proyecto, esto es que cumpla una secuencia determinada como también pueda ser
monitoreado o controlado por un computador.
3.2.2 TAMAÑO
El tamaño del brazo robótico que se ha seleccionado elaborar, es de un tamaño
mediano, semejante al de una persona de tamaño promedio, es decir que las
medidas son aproximadamente: tronco – 30 cm., brazo – 15 cm., antebrazo – 18 cm.,
- 99 -
y mano – 15 cm. Porque el presente trabajo va a ser realizado con fines didácticos y
de entrenamiento, por tal motivo se lo realizará similar a los de aplicación industrial,
pero de tamaño mediano tal que se pueda transportar de un lugar a otro para realizar
las prácticas en un sitio adecuado y que se pueda acoplar al resto de instrumentos
de laboratorio para ejecutar las pruebas de operación.
3.2.3 MATERIAL
Todas las piezas del chasis están hechas en construcción mixta de acero inoxidable,
aluminio y poli-carbonato transparente de 3mm de espesor.
El material que se ha escogido es el acrílico transparente de 3mm. de espesor, tal
que se pueda identificar cada uno de los movimientos de las articulaciones o grados
de libertad, como también los efectos que producen los mecanismos en el momento
que está realizando el trabajo, este material también es liviano y de fácil construcción
de cada uno de los elementos que constituyen el brazo.
Este tipo de material también nos brindo la facilidad de adaptar determinadas partes
simplemente calentándoles y dando la forma que se necesita. Se escogió acrílico
transparente porque este proyecto es didáctico y los estudiantes tengan la facilidad
de observar todos los movimientos.
3.2.4 GRADOS DE LIBERTAD
En el mercado existen varios modelos de robots y con determinado número de
grados de libertad, por lo tanto hemos creído conveniente realizar con 5 grados de
libertad que es lo que más se asemeja al brazo humano, y pueda realizar los
movimientos y la secuencia para la que fue construido. El primer grado de libertad
será el movimiento horizontal de todo el brazo, el segundo será el hombro el mismo
que nos permite levantar el resto del brazo, el tercero es el codo posicionar con
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mayor precisión en el lugar en donde se encuentra el objeto, el cuarto es la muñeca
que puede mover verticalmente la mano, y por último el aprehensor para que pueda
sujetar el objeto a ser transportado.
3.2.5 MOTORES
Se va a utilizar 2 tipos de motores, el motor PAP (paso a paso) y el servomotor. El
motor PAP se ha decidido utilizar en el movimiento horizontal de todo el brazo
robótico por tener un mayor torque que los servomotores, y por la facilidad que se
presentó al adquirirlo, ya que se lo pudo reciclar de una máquina copiadora industrial
que ha cumplido su vida útil; es de marca ELECTROMECH, tipo 57BYG070, unipolar
(4-Phase), para el movimiento del tronco; lo que hace que el peso de la estructura
sea liviana, firme y estable para conseguir los movimientos del brazo robótico.
En el resto de grados de libertad hemos decidido utilizar 4 servomotores ultra torque
por cuanto son más fáciles de controlar con ciertos dispositivos electrónicos; además
los servomotores se pueden controlar directamente sin utilizar circuitos adicionales
como interfase.
Los servomotores son de marca HITEC de tipo HS-645MG (ultra torque) de alta
calidad y potencia para el movimiento de: hombro, codo, muñeca y mano.
3.2.6 MECANISMOS
Se acordó utilizar un sistema simple de piñones para poder multiplicar el torque, ya
que los servomotores acoplados directamente a las articulaciones no nos
proporcionan la fuerza suficiente para levantar el brazo. Los mencionados piñones
también son reciclados de maquinaria ya usada, y elaborados en plástico, por su bajo
peso, sencillez y robustez al momento de ser acoplados y transmitir los movimientos
al resto de elementos del brazo. No se utilizarán los otros sistemas como son de
- 101 -
poleas y tensores porque tienen muchas desventajas y no presentan la confianza
suficiente con respecto a la resistencia mecánica y pueden ceder al momento de
realizar el trabajo.
3.2.7 MATERIALES DE APOYO
Como elementos adicionales para realizar el ensamblaje del manipulador, se ha
decidido utilizar tornillos de 1/8 de pulgada con sus respectivas tuercas y arandelas,
por tener la suficiente resistencia mecánica, y un bajo peso para que se pueda
levantar fácilmente el brazo. Tornillos 3/16 de pulgada en los motores del hombro y el
codo por necesitar más fuerza en esas articulaciones. Tubos de aluminio 5/16 de
pulgada como eje de movimiento para las articulaciones por ser un material
sumamente liviano y resistente para los 3 grados de libertad como son: El hombro, el
codo, y la mano. Bocines en los puntos articulados para que el movimiento sea libre y
sin rozamiento, seguros, resortes y arandelas para sujetar las articulaciones.
3.2.8 SOPORTE
Se ha tomado la determinación de realizar un soporte de tol de 2mm. de espesor, y
de 30 cm. de ancho, 15 cm. de alto, con 40 cm. de profundidad, con la finalidad de
darle robustez a la base, ya que ésta soportará a todos los elementos del brazo; por
lo tanto su peso será adecuado para garantizar estabilidad al momento de que todo
el conjunto entre en accionamiento. Además, se dispondrá del espacio interno
necesario con el propósito de realizar el montaje de los elementos de control, como
son el módulo de control principal, el mismo que contiene las diversas tarjetas
electrónicas, las fuentes de poder y el motor PAP.
- 102 -
3.2.9 CIRCUITOS DE CONTROL
3.2.9.1 CIRCUITOS DE CONTROL PARA SECUENCIA AUTOMÁTICA
Se ha elegido 3 PIC’s 16F627A; el primero para controlar el servomotor de la
articulación del hombro, el segundo para controlar el movimiento del codo, y el
tercero para controlar la mano, tanto el movimiento vertical como el aprehensor por
no necesitar un torque muy elevado.
La salida de los PIC’s controlará directamente a los servomotores por tener una
corriente de salida en modo sumidero de 25 mA.
Para el montaje de los microcontroladores se ocuparán zócalos de 18 pines, y
conectores para poder desmontar las placas de conductores con facilidad.
3.2.9.2 CIRCUITO DE CONTROL PARA EL MOTOR PAP
Se deberá utilizar un PIC 16F627A con sus 4 salidas desde la B0 hasta la B3, y de esa
manera energizar las 4 bobinas del motor PAP, este microcontrolador no entrega la
suficiente corriente para que accione el motor en mención, sino que se necesita de
un circuito de internase que constará de 4 transistores Darlington TIP110 como indica
la figura Nº 2.36, y 4 resistores de 3.3 KΩ a ½ vatio que se deben conectar a la base
de los transistores.
La programación del PIC está estructurada para dar órdenes de movimiento y
generar los pulsos de control de posición del motor paso a paso y de los
servomotores.
- 103 -
3.2.9.3 CIRCUITO DE INTERFASE PARA EL HMI
Para el diseño del circuito de interfase entre la tarjeta de adquisición de datos y los
motores, hemos escogido relés de 12V de tal manera que se pueda proteger la
mencionada tarjeta de algún cortocircuito o sobre corriente. También se utilizarán
transistores 123A para accionar las bobinas del relé, controladas por resistores de
4.7 KΩ a ½ Vatio.
3.2.9.4 HMI (Human Machine Interface)
De algunas opciones seleccionamos la tarjeta de adquisición de datos NI USB-6501
24 line digital I/O de National Instruments, junto con el lenguaje de programación
LabView de la misma fabricación, que es un entorno de desarrollo basado en la
programación gráfica Lenguaje G, es plenamente integrado para comunicarse con
tarjetas de adquisición de datos (DAQ). Usando LabVIEW, se puede crear programas
de 32-bits los cuales tienen una rápida ejecución para adquisición de datos.
Se puede utilizar LabVIEW con poca experiencia de programación. LabVIEW usa
terminología, e ideas con iconos que son familiares a técnicos, científicos e
ingenieros, cuenta con símbolos y gráficos reales en lugar de un lenguaje textual
para describir acciones de programación.
La programación necesaria para el control de los elementos electrónicos, ya que aquí
consta todas las órdenes e instrucciones creadas y diseñadas para la programación
de los PIC’s, la programación en LabVIEW para monitorear el funcionamiento y
estado de los elementos actuadores.
La conexión entre la tarjeta (DAQ) y el computador, se lo implementará a través de
un cable USB el mismo que es de fácil utilización porque es reconocido
automáticamente por el software. Esto debido a que actualmente, las PC´s portátiles
- 104 -
(laptops), ya no constan con puerto serial en su estructura, al contrario, ahora están
saliendo al mercado, máquinas con más puertos USB. Por todo lo mencionado, se
puede dejar a un lado la conexión a través del puerto serial de la máquina.
3.3 CONSTRUCCIÓN
3.3.1 CONSTRUCCIÓN MECÁNICA Y ELÉCTRICA
Una vez seleccionado el tamaño y el material procedemos a realizar una
maqueta de cartón, con materiales caseros y de fácil adquisición; para tener
una idea básica y experimental del funcionamiento mecánico del manipulador.
Cortamos las piezas definitivas como son el cuerpo, el brazo, el antebrazo, en
acrílico transparente que es el material que se utilizará, luego unimos
utilizando tornillos 3/16 y separadores de portaminas de esfero tal que
coincida con el material que se está utilizando.
Figura Nº 3.5. Construcción del brazo y antebrazo.
- 105 -
Luego construimos el elemento terminal que es el aprehensor, el más
complejo de construir por cuanto se tuvo que realizar doblajes calentando el
material, y adherirle utilizando una pega especial.
Figura Nº 3.6. Construcción del aprehensor.
Se realizó el acoplamiento de los piñones tanto en los servomotores como en
las diversas articulaciones del manipulador, utilizando tornillos de 1/8, para
luego ensamblar los ejes de aluminio utilizando rodelas y seguros para
sujeción de los mismos.
- 106 -
Figura Nº 3.7. Montaje de engranajes en los servos.
Figura Nº 3.8. Acoplamiento de los engranajes.
Se procedió a montar los servomotores en una lámina de acrílico pequeña, y
sujetarles tanto a la lámina como al cuerpo, al brazo y al antebrazo,
empleando tornillos de 1/8 de diámetro y sus respectivas tuercas y
contratuercas.
En el aprehensor unimos todas las piezas como son el servomotor un piñón
que trabaja como polea para cerrar las pinzas, y dos resortes antagonistas
para que una vez desactivado el servomotor las pinzas regresen a su estado
- 107 -
normal; aquí también utilizamos tornillos de 1/8 de diámetro y sus respectivas
contratuercas.
Una vez armado el manipulador, construimos una base de aluminio de 56 mm.
de diámetro y 16 mm. de espesor, para luego realizar el acoplamiento entre el
manipulador, el motor paso a paso, y el soporte, utilizando tornillos de 1/8,
3/16 con sus respectivas arandelas y tuercas, a la final ajustamos el tornillo
prisionero para que quede definitivamente sujetado.
Armamos el esquema electrónico del circuito de control y potencia en el
protoboard; en el cual pudimos corregir varios errores que existían en el
funcionamiento del encendido secuencial, utilizando instrumentos de medida.
Construimos la placa de conductores para controlar los servomotores, primero
cortamos la placa de acuerdo al tamaño real de los elementos, luego
sujetamos el dibujo sobre el lado de cobre para realizar los taladros y el retiro
de las rebabas con una broca más grande, transcribimos las trazas
conductoras utilizando un papel carbón y luego con un marcador indeleble,
luego sometemos a la remoción química para al final realizar el montaje de los
elementos.
Montamos y soldamos los elementos en una placa universal para el control del
motor paso a paso, de modo que quede totalmente aislado del resto de
circuitos para que no afecte al funcionamiento de los mismos por cuanto está
manejando bobinas.
- 108 -
Figura Nº 3.9. Construcción de placa electrónica.
Seguidamente realizamos el montaje de los elementos para la placa que
realiza la internas entre la tarjeta de adquisición de datos (DAQ) con los
servomotores, para de esa manera protegerle a la mencionada tarjeta.
Todos los circuitos de control, como también la fuente que se utilizó
exclusivamente para la tarjeta de control del motor paso a paso fueron
ensamblados en una nueva y definitiva maqueta de madera, de esa manera
poder aislar eléctricamente del chasis del proyecto.
Acoplamos al chasis la fuente de corriente continua con la que vamos a
alimentar los servomotores, el motor paso a paso, y los circuitos de control,
como también los relees para la interfase, esta fuente nos proporciona
diferentes niveles de voltaje.
Realizamos el cableado entre los diferentes circuitos de control, con los
servomotores, el motor paso a paso, la tarjeta de adquisición de datos y las
fuentes de corriente continua.
- 109 -
Figura Nº 3.10. Construcción de placa electrónica.
3.3.2 ESPECIFICACIONES DE LA CONSTRUCCIÓN DEL BRAZO ROBÓTICO
En la tabla Nº 3.1, se especifican las características físicas del brazo robótico que
hemos construido en este proyecto:
BRAZO ROBÓTICO
Estructura Mecánica Articulado de construcción mixta
Numero de ejes 5
Radio máximo de operación 480 mm
Mano 150 mm
Movimiento de ejes Rango Velocidad máxima
Eje 1: Base 0 -- 180° 30°/seg.
Eje 2: Tronco 0 -- 40° 35°/seg.
Eje 3: Hombro 0 -- 10° 35°/seg.
Eje 4: Codo 0 -- 20° 35°/seg.
Eje 5: Muñeca 0 -- 20° 35°/seg.
- 110 -
Tabla N°3.1. Características físicas del brazo robótico.
Para la construcción del brazo, se considera las estructuras de las articulaciones más
utilizadas como brazo de un robot manipulador, muy semejantes a las del brazo
humano. Estas estructuras tienen diferentes propiedades en cuanto a espacio de
trabajo y accesibilidad a posiciones determinadas.
3.3.3 RESUMEN DE LA CONTRUCCIÓN DEL BRAZO ROBÓTICO
El presente trabajo es una aplicación de la robótica, y es la construcción de un brazo
mecánico, elaborado de acrílico transparente, de tal forma que pueda ser lo más
didáctico posible, también se utilizaron cuatro servomotores y un motor paso a paso,
que cumple una secuencia determinada, de acuerdo a una programación específica.
La programación se lo realizó con cuatro PIC’s 16F627A, tres de ellos para controlar
los cuatro servomotores, el otro para controlar el motor PAP. Para el HMI utilizamos
una tarjeta de adquisición de datos (NATIONAL INSTRUMENTS NI USB-6501 24 line
digital I/O). Se trabajo de esa manera porque la corriente de salida de los PIC’s es
máximo de 25 mA en modo sumidero, por lo tanto no abastecía para manejar los
cinco motores simultáneamente.
Un HMI (Human Machine Interfase) para realizar el monitoreo del brazo mecánico, el
mismo que está diseñado en un lenguaje de programación de alto nivel o lenguaje G
(Gráfico), como es el LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering
Exactitud +/- 1°
Actuadores 4 servos y 1 motor PAP
Alimentación 2 fuentes de poder de 5Vdc c/u
Capacidad de carga 150 gramos
Peso total 15 Kg.
- 111 -
Workbench) es un entorno de desarrollo basado en la programación gráfica. Se
puede utilizar LabVIEW con poca experiencia de programación, cuenta con símbolos
y gráficos reales en lugar de un lenguaje textual para describir acciones de
programación.
LabVIEW es plenamente integrado para comunicarse con hardware tal como GPIB,
VXI, dispositivos serie, PLC´s y tarjetas de adquisición de datos (DAQ). LabVIEW
también puede construir librerías utilizando un software estándar o protocolos como
el TCP/IP, para gestión de redes y ActiveX y en nuestro caso utilizamos para
comunicarnos con una tarjeta de adquisición de datos, que a su vez interactuará con
los PIC’s.
Los servomotores que se utilizaron son ultra torque, los mismos que se les puede
ubicar en cualquier posición de acuerdo a la frecuencia del voltaje que se le aplica
(PWM), son ultra torque para que puedan mover con facilidad las diferentes
articulaciones del brazo.
El motor PAP de más potencia que los servos, para que mueva horizontalmente a
todo el brazo, el mismo que fue reciclado de una máquina obsoleta que ya cumplió
su vida útil. Para controlar a este motor por medio del PIC, se utilizaron 4 transistores
en configuración “Darlintong” de mediana potencia como interfase para amplificar la
corriente, los cuales son del tipo TIP-122. Como manifestamos anteriormente no se
puede manejar directamente el motor con el PIC.
Además se diseñó un circuito de interfase para proteger a la tarjeta de adquisición de
datos de una posible sobre corriente a las salidas, la misma que consta de elementos
como: transistores 123A, resistencias de 4,7 K , relés de 12 Vdc y diodos 1N4007.
- 112 -
Se utilizaron dos fuentes de alimentación, la primera se usa para alimentar a los
PIC’s que manejan los servomotores y bobinas de relés y la otra fuente se usa
solamente para controlar el motor PAP.
Como se puede apreciar en lo descrito anteriormente, el presente trabajo tiene varias
aplicaciones, como son electrónica, motores, microcontroladores, programación
BASIC, programación gráfica, mecánica etc. Todo esto nos da la posibilidad de
realizar prácticas en instituciones de nivel medio y superior.
3.3.4 RESTRICCIONES DEL PROYECTO
El sistema no contemplará la detección de colisiones. Este aspecto aunque
importante no es imprescindible para los objetivos de este proyecto. Sin
embargo el sistema desarrollado permite la fácil incorporación de un módulo
de detección de colisiones.
Otra restricción es la secuencia en el movimiento del objeto a ser transportado,
ya que solamente se cumple la secuencia de la programación entre un punto
inicial y un punto final.
El control es a lazo abierto, por lo que solamente cumple con la secuencia
establecida y no existe una retroalimentación de señal de salida, para que
dependiendo de la diferencia de la posición real y la deseada, exista una
corrección en el lazo y la entrada del sistema se ajuste la salida del mismo.
Se ha utilizado un microcontrolador PIC 16F627A para controlar cada motor,
debido a que la corriente de salida que proporciona cada PIN del PIC en modo
sumidero es de máximo 25 mA, por lo que no se puede controlar dos motores
a la vez con un mismo PIC, ya que si se lo haría de este modo, disminuye la
capacidad de potencia de cada motor, y esto se reflejaría en una disminución
del torque.
PRECAUCIÓN: Se debe tener cuidado con la alimentación del sistema y con
el control de los servos desde la computadora, ya que un corte de energía o
- 113 -
un mal comando hacia los servomotores (STOP) durante la secuencia de
operación, puede ocasionar que el brazo baje bruscamente y provocar
colisiones, y en consecuencia causar daño a los servomotores, engranajes o
cualquier otro elemento del brazo.
3.3.5 ELABORACIÓN DE ALGORITMOS Y DIAGRAMAS DE FLUJO
Estructuramos un diagrama de flujo, para conseguir una secuencia de pasos que le
permitan al brazo robótico, cumplir con una función específica, la misma que consiste
en transportar un objeto de una posición a otra, desplazándose primero 900 en
sentido horario, luego 180° en sentido antihorario y dejar el objeto, esa secuencia se
repetirá las veces que se deseen de acuerdo a la programación de los PIC’s.
Creamos el programa de instrucciones; para el Microcontrolador PIC16F627A en el
software MICROCODE STUDIO, basándonos en el diagrama de flujo para seguir una
secuencia determinada, además cabe indicar que para la programación del
microcontrolador se utilizaron instrucciones en lenguaje BASIC.
Compilamos el programa de instrucciones a un lenguaje hexadecimal, con la ayuda
del software Pic Basic Pro, para que la computadora pueda procesar los datos en un
lenguaje de bajo nivel, para luego se pueda grabar en el PIC utilizando el software
IC-PROG.
Calibramos tiempos en la programación de los PIC’s para una secuencia predefinida.
A continuación describimos el algoritmo de los pasos (procedimiento) que seguimos
para diseñar y ejecutar el programa del microcontrolador, elemento central de
nuestro brazo robótico; para que comience la secuencia de operación del brazo
robótico se debe seguir los siguientes pasos:
- 114 -
1. Conectar la alimentación de 120 Vac.
2. Accionar el interruptor.
3. Esperar un tiempo de 3 segundos para que comience la secuencia.
4. Para continuar con la operación del manipulador, simplemente esperar un
tiempo pequeño, y luego accionar el interruptor.
5. Para utilizar el HMI debemos conectar el cable USB a la computadora y a la
tarjeta de adquisición de datos.
6. Abrir el programa en LabView, Hacer reconocer la tarjeta con el CD o por
medio de INTERNET, para que pueda correr el programa.
- 115 -
DIAGRAMA DE FLUJO DEL MOTOR PASO A PASO
INICIO
Configurar el micro
B1 = 0
q = 1
I = i + 1
I > 4
I = 1
Secuencia
X = X + 1
X < 49
X = 0
1
3
- 116 -
I = i - 1
1
I = 0
I = 4
Secuencia
X = X + 1
X < 100
X = 0
I = i + 1
I > 4
I = 1
Secuencia
2
5
- 117 -
2
X = X + 1
X < 51
X = 0
END3
Secuencia
I = 1
RB1 = 1
RB2-4 = 0
I = 2
RB2 = 1
RB1-3-4 = 0
I = 3
4
5
6
- 118 -
4
RB3 = 1
RB1-2-4 = 0
I = 4
RB4 = 1
RB1-2-3 = 0
Return
END
6
- 119 -
DIAGRAMA DE FLUJO DE SERVOMOTORES Nº 1 Y Nº 2
INICIO
Configurar micro
SERVO1 = 0
PAUSA = 3 S
I = i + 1
I > 1
I = 1
Subida1
I = i + 1
I > 1
I = 1
Bajada
1
- 120 -
I > 1
I = 1
Subida2
I = i + 1
I > 1
I = 1
Bajada
1
I = i + 1
I > 1
2
I = i + 1
5
- 121 -
I = 1
Bajada
2
I = i + 1
I > 1
I = 1
Subida2
I = i + 1
I > 1
I = 1
Bajada
I = i + 1
3
5
- 122 -
3
I > 1
I = 1
Subida1
I = i + 1
I > 1
I = 1
Bajada
END
Subida1
subida2
Subida3
4
- 123 -
Bajada
4
PAUSA = 2S
RETURN
END
- 124 -
DIAGRAMA DE FLUJO DE LOS SERVOMOTORES Nº 3 Y Nº 4
INICIO
Configurar micro
SERVO1 = 0
PAUSA = 18 S
Cerrada1
R = 1
SERVO 3-4 = 1
PAUSA
Abierta1
SERVO 3-4 = 1
1
R = 1
R = 600 NO
SI
2
- 125 -
PAUSA
1
Cerrada2
R = 1
SERVO 3-4 = 1
PAUSA
Abierta2
R = 1
SERVO 3-4 = 1
PAUSA
R = 705 2
NO
R = 600
SI
NO
SI
2
3
- 126 -
2
R = 175 3NO
END
SI
- 127 -
3.3.6 ELABORACIÓN DE LOS ESQUEMAS ELÉCTRICOS DE LAS PLACAS
Una vez diseñados los esquemas electrónicos del circuito de control y de fuerza, lo
armamos en el protoboard; para realizar pruebas y corregir posibles errores que se
pueden presentar.
Luego de comprobar el correcto funcionamiento del circuito en el protoboard,
procedemos a diseñar el circuito impreso con la ayuda del software PROTEUS. Y
realizamos todo el proceso de elaboración de la placa de conductores. Para luego
montar los elementos en la placa ya elaborada.
Los elementos que utilizamos para nuestro circuito de control y de fuerza son los
siguientes:
Dos fuentes de C.C de 5 Vdc cada una.
4 resistores de 3.3Kohms
6 resistores de 4.7Kohms
6 transistores 123A
4 resistores TIP122
4 diodos 1N4007
6 relés de 12 voltios
6 zócalos de 18 pines
3 placas de circuito impreso
Cables de conexión
4 servomotores
1 motor PAP
1 tarjeta de adquisición de datos (NATIONAL INSTRUMENTS).
Un cable de conexión USB.
- 128 -
3.3.6.1 DIAGRAMAS DE PLACAS
En los siguientes esquemas se presentan el resultado del diseño y selección de los
elementos.
RA7/OSC1/CLKIN16
RB0/INT6
RB1/RX/DT7
RB2/TX/CK8
RB3/CCP19
RB410
RB511
RB6/T1OSO/T1CKI12
RB7/T1OSI13
RA0/AN017
RA1/AN118
RA2/AN2/VREF1
RA3/AN3/CMP12
RA4/T0CKI/CMP23
RA6/OSC2/CLKOUT15
RA5/MCLR4
S3-S4
PIC16F627A
RA7/OSC1/CLKIN16
RB0/INT6
RB1/RX/DT7
RB2/TX/CK8
RB3/CCP19
RB410
RB511
RB6/T1OSO/T1CKI12
RB7/T1OSI13
RA0/AN017
RA1/AN118
RA2/AN2/VREF1
RA3/AN3/CMP12
RA4/T0CKI/CMP23
RA6/OSC2/CLKOUT15
RA5/MCLR4
PAP
PIC16F627A
RA7/OSC1/CLKIN16
RB0/INT6
RB1/RX/DT7
RB2/TX/CK8
RB3/CCP19
RB410
RB511
RB6/T1OSO/T1CKI12
RB7/T1OSI13
RA0/AN017
RA1/AN118
RA2/AN2/VREF1
RA3/AN3/CMP12
RA4/T0CKI/CMP23
RA6/OSC2/CLKOUT15
RA5/MCLR4
S2
PIC16F627A
RA7/OSC1/CLKIN16
RB0/INT6
RB1/RX/DT7
RB2/TX/CK8
RB3/CCP19
RB410
RB511
RB6/T1OSO/T1CKI12
RB7/T1OSI13
RA0/AN017
RA1/AN118
RA2/AN2/VREF1
RA3/AN3/CMP12
RA4/T0CKI/CMP23
RA6/OSC2/CLKOUT15
RA5/MCLR4
S1
PIC16F627A
1
2
3
+VDD1
CONN-SIL3
VSS
S1
1
2
3
VDD3
CONN-SIL3
VSS
S3-S4
1
2
3
+VDD2
CONN-SIL3
VSS
S2
R1
3k3
R2
3k3
R3
3k3
R4
3k3
Q1TIP122
Q2TIP122
Q3TIP122
Q4TIP122
1
2
3
J1
CONN-SIL3
1
2
3
J2
CONN-SIL3
RA7/OSC1/CLKIN16
RB0/INT6
RB1/RX/DT7
RB2/TX/CK8
RB3/CCP19
RB410
RB511
RB6/T1OSO/T1CKI12
RB7/T1OSI13
RA0/AN017
RA1/AN118
RA2/AN2/VREF1
RA3/AN3/CMP12
RA4/T0CKI/CMP23
RA6/OSC2/CLKOUT15
RA5/MCLR4
U1
PIC16F627A
1
2
J3
CONN-H2
1
6
2
7
3
8
4
9
5
J4
CONN-D9F
1
2
J5
CONN-H2
1
2
3
J6
CONN-SIL3
CIRCUITO SERVO-MOTORES PAP Y COM SERIE
Figura Nº 3.11. Circuito de control de los servomotores y motor PAP.
- 129 -
+88.8
MOTOR PAP
Q1TIP122
Q2TIP122
Q3TIP122
Q4TIP122
R1
3.3k
R2
3.3k
R3
3.3k
R4
3.3k
RA7/OSC1/CLKIN16
RB0/INT6
RB1/RX/DT7
RB2/TX/CK8
RB3/CCP19
RB410
RB511
RB6/T1OSO/T1CKI12
RB7/T1OSI13
RA0/AN017
RA1/AN118
RA2/AN2/VREF1
RA3/AN3/CMP12
RA4/T0CKI/CMP23
RA6/OSC2/CLKOUT15
RA5/MCLR4
PIC-MOTOR PAP
PIC16F627A
GND
+5V
D11N4007
D21N4007
D31N4007
D41N4007
CIRCUITO PARA EL MOTOR PAP
Figura Nº 3.12. Circuito diseñado para el motor PAP.
Q12N4123
Q22N4123
Q32N4123
Q42N4123
R1
4k7
R2
4k7
R3
4k7
R4
4k7
RL1G5CLE-1-DC12
RL2G5CLE-1-DC12
RL3G5CLE-1-DC12
RL4G5CLE-1-DC12
Q52N4123
Q62N4123
RL5G5CLE-1-DC12
RL6G5CLE-1-DC12
R5
4k7
R6
4k7
1
2
3
4
5
6
J1
CONN-H6
D11N4007
D21N4007
D31N4007
D51N4007
D61N4007
D41N4007
+12V
+88.8
S1
+88.8
S2
+88.8
S4
1 2 3
J2CONN-SIL3
INTERFACE TARJETA SERVOS
Figura Nº 3.13. Circuito diseñado para la interfase de los elementos de control electrónico y los servomotores.
- 130 -
3.3.7 ELABORACIÓN DEL PROGRAMA DEL BRAZO ROBÓTICO
3.3.7.1 PROGRAMACIÓN DE SECUENCIAS
3.3.7.1.1 PROGRAMACIÓN DEL MOTOR PASO A PASO
Trisb=%00000000 ; Hace salidas los bits B.3, B.2, B.1, B.0
B1 VAR portb.0 ; Cambio de nombre al bit B.0 por B1
B2 VAR portb.1 ; Cambio de nombre al bit B.0 por B2
B3 VAR portb.2 ; Cambio de nombre al bit B.0 por B3
B4 VAR portb.3 ; Cambio de nombre al bit B.0 por B4
q VAR BYTE ; Cambio de variable a q de tamaño 256
i VAR BYTE ; Cambio de variable a i de tamaño 256
x VAR BYTE ; Cambio de variable a x de tamaño 256
HIGH B1 ; Salida alta por B1
PAUSE 5000 ; Pausa 5 segundos en alto a B1
FOR q=1 TO 2 ; Lazo FOR dos veces
Brazo_antihorario: ; Etiqueta Para un lazo repetitivo
i=i+1 ; Contador
IF i>4 THEN i=1 ; Pregunta si el contador es mayor que 4
GOSUB INICIO ; Sub-rutina a inicio
x=x+1 ; Contador
IF x<49 THEN GOTO Brazo_antihorario
x=0
PAUSE 12000 ; pausa hasta que coja el objeto
Brazo_horario: ; Etiqueta para un lazo repetitivo
i=i-1 ; Cuenta en sentido horario
- 131 -
IF i=0 THEN i=4 ; Repite un lazo 4 veces
GOSUB Inicio ; Salto a sub-rutina inicio
x=x+1 ; Cuenta en sentido horario
IF x<100 THEN GOTO Brazo_horario ; Pregunta el número de repeticiones
x=0
PAUSE 12000 ; pausa hasta que deje el objeto
Brazo_antihorario1: ; Etiqueta para salto antihorario
i=i+1 ; Cuenta número de repeticiones de la
bobinas
IF i>4 THEN i=1 ; Pregunta cuantas veces se repite
GOSUB INICIO
x=x+1
IF x<51 THEN GOTO Brazo_antihorario1
x=0
PAUSE 3000 ; pausa hasta que comience el nuevo
ciclo
NEXT
END
INICIO: ; Etiqueta para salto
IF i = 2 THEN
HIGH B1
LOW B3
LOW B2
LOW B4
ENDIF
IF i = 3 THEN
- 132 -
HIGH B2
LOW B4
LOW B3
LOW B1
ENDIF
IF i=4 THEN
LOW B4
HIGH B3
LOW B2
LOW B1
ENDIF
IF i=1 THEN
HIGH B4
LOW B3
LOW B2
LOW B1
ENDIF
PAUSE 50
RETURN
END
- 133 -
3.3.7.1.2 PROGRAMACIÓN SERVO Nº 1
Trisb=%00011111 ; Convierte el puerto b en salidas
R VAR WORD ; Variable R de tamaño de 256
S VAR WORD ; Variable S de tamaño de 256
SERVO1 VAR PORTB.0 ; Cambio de nombre al bit B.0 por SERVO1
q VAR BYTE ; Cambio de variable a q de tamaño 256
i VAR BYTE ; Cambio de variable a i de tamaño 256
x VAR BYTE ; Cambio de variable a de tamaño 256
Port=0
LOW servo1
PAUSE 3000
FOR q=1 TO 2
i=i+1
IF i>1 THEN i=1
GOSUB Subida1
i=i+1
IF i>1 THEN i=1
GOSUB Bajada
i=i+1
IF i>1 THEN i=1
GOSUB Subida2
i=i+1
IF i>1 THEN i=1
GOSUB Bajada
i=i+1
IF i>1 THEN i=1
GOSUB Subida3
NEXT
- 134 -
i=i+1
IF i>1 THEN i=1
GOSUB Bajada
END
***********************Subida 1********************************
Subida1:
FOR R=1 TO 247 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 247
HIGH SERVO1 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 2600 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO1 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
NEXT
RETURN
************************Subida 2*******************************
Subida2:
FOR R=1 TO 494 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 247
HIGH SERVO1 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 2600 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO1 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
NEXT
RETURN
*****************Subida 3***************************************
Subida3:
FOR R=1 TO 400 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 247
HIGH SERVO1 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 2600 ; Pausa de 1500 micro-segundos
- 135 -
LOW SERVO1 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
NEXT
RETURN
*****************Primera bajada*********************************
Bajada:
FOR R=1 TO 10 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 100
HIGH SERVO1 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 2500 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO1 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
NEXT
FOR R=1 TO 10 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 100
HIGH SERVO1 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 2400 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO1 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
NEXT
FOR R=1 TO 10 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 100
HIGH SERVO1 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 2300 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO1 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
NEXT
FOR R=1 TO 10 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 100
HIGH SERVO1 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 2200 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO1 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
- 136 -
NEXT
FOR R=1 TO 10 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 100
HIGH SERVO1 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 2100 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO1 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
NEXT
FOR R=1 TO 10 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 100
HIGH SERVO1 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 2000 ; Pausa de 2500 micro-segundos
LOW SERVO1 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
NEXT
FOR R=1 TO 10 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 100
HIGH SERVO1 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 1900 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO1 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
NEXT
FOR R=1 TO 10 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 100
HIGH SERVO1 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 1800 ; Pausa de 2500 micro-segundos
LOW SERVO1 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
NEXT
FOR R=1 TO 10 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 100
HIGH SERVO1 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 1700 ; Pausa de 2500 micro-segundos
LOW SERVO1 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
- 137 -
NEXT
FOR R=1 TO 10 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 100
HIGH SERVO1 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 1600 ; Pausa de 2500 micro-segundos
LOW SERVO1 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
NEXT
FOR R=1 TO 10 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 100
HIGH SERVO1 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 1500 ; Pausa de 2500 micro-segundos
LOW SERVO1 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
NEXT
FOR R=1 TO 10 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 100
HIGH SERVO1 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 1400 ; Pausa de 2500 micro-segundos
LOW SERVO1 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
NEXT
FOR R=1 TO 10 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 100
HIGH SERVO1 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 1300 ; Pausa de 2500 micro-segundos
LOW SERVO1 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
NEXT
PAUSE 3000
RETURN
END
- 138 -
3.3.7.1.3 PROGRAMACIÓN SERVO Nº 2
Trisb=%00011111 ; Convierte el puerto B en salidas
R VAR WORD ; Variable R de tamaño de WORD
S VAR WORD ; Variable R de tamaño de WORD
SERVO2 VAR PORTB.0 ; Cambio de nombre al bit B.0 por SERVO3
q VAR BYTE
i VAR BYTE
x VAR BYTE
Portb=0 ; Hace cero el puerto B
PAUSE 8000 ; Pausa 8 seg. para comenzar
***********************Subida 1********************************
Subida1:
FOR R=1 TO 1240 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 247
HIGH SERVO2 ; Saca 1L por el bit A.0
PAUSEUS 2600 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO2 ; Saca 0L por el bit A.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
NEXT
RETURN
- 139 -
3.3.7.1.4 PROGRAMACIÓN DE LOS SERVOS Nº 3 Y Nº 4
Trisb=%00011111 ; Convierte el puerto B en salidas
R VAR WORD ; Variable R de tamaño de WORD
S VAR WORD ; Variable R de tamaño de WORD
SERVO3 VAR PORTB.0 ; Cambio de nombre al bit B.0 por SERVO3
SERVO4 VAR PORTB.1 ; Cambio de nombre al bit B.0 por SERVO4
q VAR BYTE
i VAR BYTE
x VAR BYTE
PORTB=0 ; Hace cero el puerto B
PAUSE 12000 ; Pausa 12 seg. para comenzar
***********************Cerrada1********************************
Cerrada1:
FOR R=1 TO 413 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 247
HIGH SERVO3 ; Saca 1L por el bit B.0
PAUSEUS 2200 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO3 ; Saca 0L por el bit B.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
HIGH SERVO4 ; Saca 1L por el bit B.0
PAUSEUS 1200 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO4 ; Saca 0L por el bit B.0
PAUSEUS 20000
NEXT
***********************Abierta1********************************
- 140 -
Abierta1:
FOR R=1 TO 473 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 247
HIGH SERVO3 ; Saca 1L por el bit B.0
PAUSEUS 2200 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO3 ; Saca 0L por el bit B.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
HIGH SERVO4 ; Saca 1L por el bit B.1
PAUSEUS 900 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO4 ; Saca 0L por el bit B.1
PAUSEUS 20000
NEXT
***********************Cerrada2********************************
Cerrada2:
FOR R=1 TO 453 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 247
HIGH SERVO3 ; Saca 1L por el bit B.0
PAUSEUS 2200 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO3 ; Saca 0L por el bit B.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
HIGH SERVO4 ; Saca 1L por el bit B.1
PAUSEUS 1200 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO4 ; Saca 0L por el bit B.1
PAUSEUS 20000
NEXT
- 141 -
***********************Abierta2********************************
Abierta2:
FOR R=1 TO 175 ; Lazo FOR desde R=1 hasta 247
HIGH SERVO3 ; Saca 1L por el bit B.0
PAUSEUS 2200 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO3 ; Saca 0L por el bit B.0
PAUSEUS 20000 ; Pausa de 20 milisegundos
HIGH SERVO4 ; Saca 1L por el bit B.1
PAUSEUS 900 ; Pausa de 1500 micro-segundos
LOW SERVO4 ; Saca 0L por el bit B.1
PAUSEUS 20000
NEXT
END
- 142 -
3.3.8 HMI DEL BRAZO ROBÓTICO
Para el HMI (HUMAN MACHINE INTERFACE) del brazo robótico, se utilizará el
LabVIEW; que es un lenguaje de programación grafico que utiliza iconos en lugar de
líneas de texto para crear aplicaciones. En contraste con los lenguajes de
programación basados en texto, donde las instrucciones determinan la ejecución del
programa, en LabVIEW el flujo de los datos determina la ejecución.
En LabVIEW se crea una interfaz de usuario utilizando un conjunto de herramientas y
objetos. La interfaz del usuario es llamada el panel frontal. Posteriormente, se
adiciona el código utilizando representaciones graficas de funciones para controlar
los objetos del panel frontal. El diagrama de bloques contiene dicho código; y en
ocasiones, el diagrama de bloques parece un diagrama de flujo.
LabVIEW está totalmente integrado para comunicarse con equipos tales como GPIB,
VXI, PXI, RS-232, RS-485 y tarjetas de adquisición de datos (DAQ) insertables en la
computadora. LabVIEW también posee características para conectar sus
aplicaciones a la WEB utilizando el LabVIEW WEB SERVER y programas estándares
tales como TCP/IP y ActiveX.
Utilizando LabVIEW se pueden crear pruebas y mediciones, adquisición de datos,
control de instrumentos, almacenamiento de datos, análisis de mediciones y
aplicaciones de generación de reportes. También se pueden crear librerías
ejecutables y librerías compartidas, tales como DLL’s, ya que LabVIEW es un
compilador verdadero de 32 bits.
Para la aplicación de este proyecto se usará el software PIC-BASIC para la
programación de los microcontroladores y el LabView 7.0 para el HMI, ya que estos
son lenguajes de programación de alto nivel, que están enfocados al uso de
instrumentación virtual y que además ofrecen las siguientes ventajas:
- 143 -
Son lenguajes de alto nivel.
Son fáciles de programar ya que utilizan muy pocas líneas de programación,
a diferencia del ASSEMBLER que es difícil para programar.
El LabView es muy simple de manejar, debido a que está basado en un
nuevo sistema de programación gráfica, llamada lenguaje G; y, es un
programa enfocado a la instrumentación virtual, por lo que cuenta con
numerosas herramientas de presentación.
Cuentan con una amplia gama de librerías especializadas para manejo de un
sin número de aplicaciones.
Son programas que permiten pasar las aplicaciones entre diferentes
plataformas.
El LabView permite comunicarse con los puertos de comunicación que posee
el computador, tanto con el puerto paralelo, como con el puerto serial, siendo
esta una de las grandes ventajas ya que el microcontrolador PIC puede
aceptar un dato serial enviado desde el computador.
Entre las desventajas se tiene:
El PIC-BASIC utiliza mucha memoria en las instrucciones grabadas en el PIC,
a diferencia del ASSEMBLER, en donde se pueden direccionar las
instrucciones en un sitio específico de la memoria.
Los programas en versiones industriales o profesionales, tienen un costo
elevado.
El desarrollo del brazo robótico conlleva varios aspectos que se relacionan unos a
otros y requiere que los sistemas, de control, mecánico, electrónico e informático se
encuentren diseñados como un sistema integrado. Esto implica que durante la fase
de diseño, sea posible evaluar cambios en las partes mecánicas, así como también
en la parte de control, electrónica y de programación.
- 144 -
Para el HMI utilizamos una tarjeta de adquisición de datos (NATIONAL
INSTRUMENTS NI USB-6501 24 line digital I/O). Se trabajo de esa manera porque la
corriente de salida de los PIC’s es máximo de 25 mA en modo sumidero, por lo tanto
no abastecía para manejar los cinco motores simultáneamente.
Un HMI (Interface Hombre Máquina) para realizar el monitoreo del brazo mecánico, el
mismo que está diseñado en un lenguaje de programación de alto nivel o lenguaje G
(Gráfico), como es el LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering
Workbench) es un entorno de desarrollo basado en la programación gráfica (figura
Nº3.14). Se puede utilizar LabVIEW con poca experiencia de programación, cuenta
con símbolos y gráficos reales en lugar de un lenguaje textual para describir acciones
de programación.
3.3.8.1 PANEL FRONTAL DEL HMI
Figura Nº 3.14. HMI para monitoreo del estado de los actuadores.
- 145 -
3.3.8.2 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL HMI
Figura Nº 3.15. Diagrama de bloques del HMI (Diseño del brazo robótico).
- 146 -
CAPÍTULO IV
PRUEBAS Y RESULTADOS
4.1 INTRODUCCIÓN
Una vez realizado el diseño, selección y construcción del brazo robótico, se procedió
a ejecutar las pruebas finales de operación, cuyos resultados y análisis se presentan
a continuación:
4.1.1 TIEMPOS DE OPERACIÓN DE LOS MOVIMIENTOS
Es importante determinar la manera como actúan los diferentes movimientos que
realiza el brazo robótico, para poder contar con una secuencia establecida y así
poder realizar las mediciones de los tiempos que toma cada uno de los movimientos.
MOVIMIENTOS SENTIDO DE GIRO ACTIVIDAD DE TRABAJO
1 Horario Traslado hasta la posición 1
2 Antihorario Traslado de la pieza de la
posición 1 a la posición 2
3 Horario Traslado hasta la posición 1
4 Antihorario Traslado de la pieza de la
posición 1 a la posición 2
5 Horario Traslado hasta la posición inicial
TABLA 4.1. Identificación de movimientos que realiza el brazo.
- 147 -
Los tiempos cronometrados de operación de cada uno de los movimientos que
realiza el brazo robótico se detallan a continuación:
MOVIMIENTOS EN VACIO CON CARGA (150 gramos)
1 17.76 seg 17.73 seg
2 25.47 seg 25.49 seg
3 29.86 seg 29.73 seg
4 25.55 seg 25.54 seg
5 14.19 seg 14.14 seg
TABLA 4.2. Tiempos de operación de cada articulación.
De la tabla anterior, se puede establecer una comparación de los tiempos de
operación del brazo en vacío y los tiempos de operación con carga.
1 2 3 4 5
0
5
10
15
20
25
30
TIE
MP
O (
s)
MOVIMIENTOS
TIEMPOS DE TRABAJO
EN VACIO CON CARGA
Gráfico N° 4.1. Tiempos de operación del brazo en vacío y con carga.
Análisis del gráfico N°4.1.
Los tiempos de operación en vacío comparados con los tiempos de operación con
carga, permanecen sin ninguna variación importante. Esto indica que el brazo
está dentro de los parámetros de diseño.
- 148 -
4.1.2 ROTACIÓN DE LOS EJES DEL BRAZO
EJES SENTIDO DE GIRO
MOVIMIENTO HORARIO MOVIMIENTO ANTIHORARIO
PAP 90º 180º 90º 180º 180º
SERVO 1 37º ---
SERVO 2 --- 10º
SERVO 3 20º ---
SERVO 4 20º ---
TABLA 4.3. Ángulos de giro de las articulaciones.
Los ángulos de giro del motor PAP y los servomotores se encuentran dentro del
campo de acción del brazo; ya que como consta en la tabla N°4.3, todos los ángulos
son menores a 180°. Con estos resultados, se cumple con uno de los objetivos de
este proyecto.
- 149 -
4.1.3 PRUEBAS ELECTRICAS
TIPO DE MOTOR CORRIENTES (mA)
EN VACIO CON CARGA
PAP 4000 4000
SERVO 1 970 1030
SERVO 2 650 680
SERVO 3 320 350
SERVO 4 720 760
TABLA 4.4. Consumo de corrientes de los motores.
Con los datos obtenidos de las mediciones de las corrientes consumidas por cada uno
de los motores durante su operación en vacío y con carga, se elaboró el siguiente
gráfico:
PAP SERVO 1 SERVO 2 SERVO 3 SERVO 4
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
CO
RR
IEN
TE
(m
A)
TIPO DE MOTOR
CORRIENTES DE LOS MOTORES
EN VACIO CON CARGA
Gráfico N° 4.2. Corrientes consumidas por los motores del brazo, en vacío y con carga.
- 150 -
Análisis del gráfico N°4.2.
Las corrientes consumidas por los motores del brazo, varían cuando son medidas
en vacío y con carga; esto es normal ya que cuando el brazo robótico se
encuentra en operación normal y transportando la carga, la carga útil aumenta el
peso de todo el sistema, el mismo que se ve reflejado a lo largo de toda la
estructura.
- 151 -
CAPÍTULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 CONCLUSIONES
Es muy importante el uso de materiales livianos para la construcción de un
brazo robótico, ya que todo peso adicional redundará en una complejidad
mecánica y económica, debido a que obligará a utilizar motores de mayores
potencias, lo que representa mayor costo. Un buen material es el aluminio,
este es fácil de conseguir, relativamente económico y extremadamente liviano
en comparación con su dureza. Otro material moldeable, manejable y muy fácil
de conseguir, es el acrílico; es de bajo costo y presenta buena robustez para
la estructura del brazo.
Durante el desarrollo del proyecto, pudimos darnos cuenta que es posible el
diseño y construcción de un brazo robótico, como también relacionar varias
ciencias, como son: Electrónica Analógica y Digital, Electrónica industrial, la
Informática y la Mecánica; todas éstas, en conjunto nos permitieron conocer
una más amplia Denominada robótica.
La secuencia de movimientos que se encuentran gravados en los PIC’s, son
los básicos, con el fin de que los estudiantes del Instituto Tecnológico “Ramón
Barba Naranjo” puedan analizar los principios de funcionamiento de cada uno
de los elementos.
El programa que se encuentra grabado en los diferentes PIC’s, pueden ser
modificados a conveniencia, de acuerdo a la practica que se vaya a realizar,
de esa manera el alumno pueda desarrollar su imaginación y aplicar su
conocimiento adquirido en la teoría.
- 152 -
Se diseño de una manera muy didáctica, utilizando materiales apropiados
como acrílico transparente, para que de esa manera se puedan apreciar todos
los movimientos que realice el brazo robótico, como también los mecanismos
utilizados en el mismo.
Utilizamos por lo menos dos tipos de motores como son los motores paso a
paso y los servomotores, para de esa manera se puedan establecer
comparaciones entre los dos casos y ver cuál es el más apropiado para una
determinada aplicación.
El circuito electrónico consta de un PIC para cada motor, con la finalidad de
que el alumno tenga una mejor posibilidad para realizar el cambio en la
programación, y realice una secuencia de acuerdo a la necesidad de la
práctica.
En el proyecto realizado aplicamos muchos de los conocimientos adquiridos
en los años de estudio, y que fueron reforzados con la investigación previa
para la realización de este de presente trabajo.
5.2 RECOMENDACIONES
Una de las recomendaciones para mejorar este trabajo, que según nuestra
opinión es una de las más importantes, se trata de todo aquello relacionado
con el entorno del brazo robótico. Es decir la posibilidad de que el brazo pueda
recibir información del entorno que le rodea, es decir, implementar una tarjeta
de adquisición de datos en el circuito de control y dotarle de sensores en su
estructura; para que trabaje en lazo cerrado y se pueda ejecutar las tareas con
mayor versatilidad.
Otra mejora sería utilizar materiales mixtos y livianos para realizar la estructura
del brazo, de esa forma se puede reducir el costo, el peso y el tiempo de
desarrollo final; y así, aprovechar al máximo las potencias de los motores
utilizados para el transporte de la carga.
- 153 -
Que todos los elementos que vamos a utilizar en la realización del proyecto
tengan las características adecuadas, y se encuentren disponibles en el
momento de realizar el montaje, para de esa manera ganar tiempo y realizar
las correcciones necesarias.
Verificar que todos los elementos se encuentren en buen estado de
funcionamiento, para que su rendimiento sea el esperado.
Manipular los elementos especiales como los dispositivos C-MOS de acuerdo
a las recomendaciones del fabricante, ya que con la electricidad estática del
cuerpo humano pueden no funcionar adecuadamente.
Se debe tener mucho cuidado en el momento de utilizar elementos químicos
para elaborar ciertas partes del proyecto, por cuanto pueden ser nocivos para
las personas que realizan el mismo.
Tomar muy en cuenta la distribución de pines, como también la polaridad
correcta de los elementos electrónicos, porque en el momento de realizar las
pruebas de funcionamiento vayan a no funcionar correctamente.
En el momento de realizar el montaje de los elementos en la placa de
conductores, se debe tomar muy en cuenta la potencia del cautín o protegerle
con un disipador, ya que el exceso de calor en un elemento electrónico puede
recalentarse y por lo tanto deteriorarse el dispositivo.
Debido a que este proyecto es exclusivamente con fines didácticos, no se
puede utilizar sobrepesos cuando se vaya a realizar una práctica, por cuanto
puede ceder el mecanismo, y como consecuencia dañarse los piñones y los
servomotores.
Siempre que se trabaje con PIC’s es necesario utilizar bases para circuitos
integrados y no soldarlos directamente a la placa, como también no
sobrepasar los niveles de tensión de alimentación pues al hacer esto puede
traer consigo el deterioro de los mismos.
- 154 -
BIBLIOGRAFÍA
TEXTOS
1. ANGULO USATEGUI, José Mª, Robótica práctica Tecnología y Aplicaciones,
Madrid, Paraninfo, 2000.
2. BOYLESTAD Y NASHELSKY, Electrónica y teoría de circuitos, Prentice Hall,
México, 1998.
3. CORRALES V. Santiago. Electrónica Práctica con Microcontroladores PIC,
Quito,
4. REYES, Carlos, Programación de Microcontroladores con PicBasic, 2da
Edición, Quito
5. TOCCI Y WIDMER, Sistemas Digitales, Prentice Hall, México, 2003.
6. USATEGUI, José Mª Angulo, MARTINEZ ANGULO Ignacio,
Microcontroladores PIC Diseño Práctico de Aplicaciones, Madrid, Mc Graw Hill,
1999.
7. ANTONIO BARRIENTOS, LUÍS FELIPE PEÑÍN, CARLOS BALAGUER,
RAFAEL ARACIL. Fundamentos de robótica: Mc Graw Hill, 1997.
8. J. AMAT, J. AYZA, L. BASAÑEZ, F. FERRER, R. HUBER, C. Torres. Robótica
industrial: Marcombo Boixareu Editores, 1986.
- 155 -
9. BOYLESTAD Roberto, Análisis introductorio de circuitos. Prentice Hall,
México, 1998.
10. SÁNCHEZ Francisco, Engranajes Cilíndricos, Universitat Jaume, 2005.
11. SÁNCHEZ Antonio, Principios básicos de la robótica, DISA / UPV.
12. BOLTON W., Mecatrónica, Sistemas de control electrónico en la ingeniería
mecánica y eléctrica, Alfaomega, 3ra Edición.
13. ANGULO USATEGUI, José Mª, Introducción a la Robótica, principios teóricos,
construcción y programación de un robot educativo, Thomson.
WEB GRAFÍA
1. www.edutronic.com
2. www.IC-prog.com
3. www.talquingelectronics.com
4. www.microchip.com
5. www.monografias.com
6. www.x-robotics.com
7. www.electronicaestudio.com
8. www.mikroelektronicka.co.vu
- 156 -
9. www.todopic.com.ar
10. www.todorobot.com.ar
11. http://perso.wanadoo.es
12. www.superrobotica.com
13. www.iearobotics.com
14. www.robots.net
15. www.robotprojects.com
- 157 -
ANEXOS
- 158 -
ANEXO 1. Estructura mecánica del brazo robótico
- 159 -
ANEXO 2. Circuito de control de los servomotores y motor PAP.
- 160 -
ANEXO 3. PIN DIAGRAMS PIC 16F627A
- 161 -
ANEXO 4. PINOUT DESCRIPTION PIC 16F627A
- 162 -
ANEXO 4. PINOUT DESCRIPTION PIC 16F627A (Continuación)
- 163 -
ANEXO 5. COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS ENTRE DIFERENTES PIC´s
- 164 -
ANEXO 6. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PIC 16F627A
- 165 -
ANEXO 7. ESPECIFICACIONES DEL SERVOMOTOR HS-645MG ULTRA TORQUE
- 166 -
ANEXO 7. ESPECIFICACIONES DEL SERVOMOTOR HS-645MG ULTRA TORQUE (Continuación)
- 167 -
ANEXO 8. FOTOGRAFIAS
BASE
BRAZO
- 168 -
PIÑONES DEL SERVO
TRUCAJE SERVOMOTOR
- 169 -
FUENTE DE PODER
MONTAJE MOTOR PASO A PASO
- 170 -
PLACAS ELECTRONICAS DE CONTROL Y FUERZA
VISTA POSTERIOR DE LA PLACA ELECTRONICA
- 171 -
MONTAJE DEL BRAZO
MONTAJE DE ENGRANAJES EN SERVOS
- 172 -
TRANSMISION DE MOVIMIENTOS DEL BRAZO
MANIPULADOR
- 173 -
ENSAMBLE GENERAL DEL BRAZO ROBOTICO
VISTA FRONTAL DEL BRAZO
- 174 -
Latacunga, Diciembre del 2009
ELABORADO POR:
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Luis Guillermo Cárdenas Cárdenas
APROBADO POR:
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Ing. Armando Álvarez
DIRECTOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA
EN ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN
CERTIFICADO POR:
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Dr. Eduardo Vásquez
SECRETARIO ACADÉMICO